Αλκαλικά μέταλλα: Τα στοιχεία της πρώτης στήλης του περιοδικού πίνακα

Αλκαλικά μέταλλα: Τα στοιχεία της πρώτης στήλης του περιοδικού πίνακα

Τα στοιχεία της πρώτης στήλης του περιοδικού πίνακα, εξαιρουμένου του υδρογόνου, ονομάζονται αλκαλικά μέταλλα, αλκαλιμέταλλα ή αλκάλια. Αν και τα αλκάλια είναι στην πραγματικότητα τα υδροξείδια αυτών των μετάλλων ή αλλιώς καυστικά αλκάλια, η ονομασία αλκάλια έχει καθιερωθεί ως κοινή ονομασία.

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Τα αλκαλικά μέταλλα είναι μια ομάδα έξι στοιχείων που κάποια από αυτά είναι πολύ διαδεδομένα και υπάρχουν γύρω μας. Για παράδειγμα, το νάτριο βρίσκεται στο επιτραπέζιο αλάτι, το λιθίο στην μπαταρία των κινητών μας και το κάλιο στις μπανάνες.  Αναλυτικότερα, τα έξι αυτά στοιχεία είναι:

  • λίθιο (Li),
  • νάτριο (Na),
  • κάλιο (K),
  • ρουβίδιο (Rb),
  • καίσιο (Cs),
  • φράγκιο (Fr)

Τα αλκάλια αποτελούν μέρος του S-μπλοκ των στοιχείων στο περιοδικό πίνακα, που μαζί με το υδρογόνο, το ήλιο, το ασβέστιο και άλλα, έχουν το εξώτατο ηλεκτρόνιό τους στην S-τροχιακή στοιβάδα. Τα αλκαλιμέταλλα είναι μαλακά μέταλλα που αντιδρούν σε μεγάλο βαθμό με το νερό και το οξυγόνο. Είναι τόσο μαλακά που μπορούν να τεμαχιστούν με ένα πλαστικό μαχαίρι. Έχουν επίσης μια ασημί λάμψη και είναι εξαιρετικοί αγωγοί της θερμότητας και του φωτός.

Η ονομασία τους οφείλεται στο ότι όταν αντιδρούν με το νερό, δημιουργούν ισχυρά αλκαλικές ουσίες. Η αλκαλικότητα αναφέρεται στο pH της ουσίας ή στην ικανότητα εξουδετέρωσης του οξέος. Οι ουσίες που είναι πολύ αλκαλικές μπορούν να σχηματίσουν ισχυρές βάσεις, ικανές να εξουδετερώσουν τα οξέα και να διατηρήσουν ένα σταθερό επίπεδο pH.

Όπως κάθε χημικό στοιχείο έτσι και τα αλκάλια έχουν έναν πυρήνα που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Γύρω από τον πυρήνα των ατόμων βρίσκονται ηλεκτρόνια, τα οποία είναι σωματίδια με αρνητικό φορτίο. Αυτά τα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε ενεργειακές στοιβάδες γύρω από τον πυρήνα των ατόμων, καθεμία από τις οποίες μπορεί να χωρέσει συγκεκριμένο αριθμό ηλεκτρονίων. Η πρώτη στοιβάδα μπορεί να χωρέσει έως και δύο ηλεκτρόνια, η δεύτερη έως οκτώ, η τρίτη έως 18 και η τέταρτη έως 32. Αυτές οι στοιβάδες ηλεκτρονίων και η δομή των αλκαλιμετάλλων είναι που τα κάνουν τόσο αντιδραστικά.

Όλα τα άτομα, εκ φύσεως, θέλουν να έχουν μία πλήρη σε ηλεκτρόνια εξωτερική στοιβάδα. Ωστόσο, τα στοιχεία αυτής της πρώτης στήλης του περιοδικού πίνακα έχουν όλα ένα ηλεκτρόνιο σε αυτή τη στοιβάδα. Αυτή η εξωτερική στοιβάδα ονομάζεται επίσης στοιβάδα σθένους και τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται εκεί ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους.

Έχοντας μόνο ένα ηλεκτρόνιο στην εξωτερική τους στοιβάδα, τα άτομα των αλκαλιμετάλλων μπορούν εύκολα να φτάσουν εύκολα σε κατάσταση ισορροπίας. Απλά πρέπει να χάσουν ένα ηλεκτρόνιο! Αυτή η ευκολία ως προς την απώλεια ενός ηλεκτρονίου για την επίτευξη μιας κατάστασης ισορροπίας είναι γνωστή ως υψηλή αντιδραστικότητα. Στην πραγματικότητα, η αντιδραστικότητα στη χημεία ορίζεται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων στην εξώτατη στοιβάδα. Τα ευγενή αέρια (στοιχεία όπως το νέον και το ήλιο) έχουν χαμηλή αντιδραστικότητα επειδή η εξωτερική στοιβάδα των ατόμων τους είναι πλήρης.

«Δεδομένου ότι τα αλκαλιμέταλλα έχουν μόνο ένα ηλεκτρόνιο σθένους, συνήθως επιτυγχάνουν την κατάσταση ισορροπίας, χάνοντας αυτό το ηλεκτρόνιο. Σε αυτή τη διαδικασία, το αλκαλιμέταλλο οξειδώνεται, ενώ το άτομο του άλλου στοιχείου που λαμβάνει το ηλεκτρόνιο, ανάγεται. Σε όλα τα αλκαλικά μέταλλα αρέσει να προσφέρουν το μονοηλεκτρόνιο σθένους», λέει ο Δρ. Chip Nataro, καθηγητής χημείας στο Lafayette College στο Easton της Pennsylvania.

«Καθώς τα ηλεκτρόνια έχουν φορτίο -1, η απώλεια ενός ηλεκτρονίου προκαλεί το άτομο να έχει φορτίο +1. Όταν συμβαίνει αυτό, το άτομο αναφέρεται ως ιόν και δεδομένου ότι θα έχει θετικό φορτίο, ονομάζεται κατιόν. Έτσι, σε όλα τα αλκαλιμέταλλα αρέσει να παράγουν κατιόντα που έχουν φορτίο +1».

Δεδομένου ότι τα αλκαλιμέταλλα είναι τόσο αντιδραστικά, συνήθως βρίσκονται σε συνδυασμό με άλλα μέταλλα στη φύση. Εάν ένα στοιχείο είναι πολύ αντιδραστικό, είναι πιο δύσκολο να βρεθεί σε καθαρή μορφή σε φυσική κατάσταση.

«Όλα αυτά τα στοιχεία ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά σε μορφή ενώσεων και μερικές από τις ανακαλύψεις τους είναι δύσκολο να αποδοθούν σε συγκεκριμένα άτομα λόγω της αφθονίας και της ευρείας χρήσης αυτών των ενώσεων», λέει ο Nataro. «Καθώς κατεβαίνετε στον περιοδικό πίνακα, τα αλκαλικά μέταλλα τείνουν όλο και πιο πολύ να απορρίπτουν το ηλεκτρόνιο σθένους τους» και έτσι «η ποσότητα του καθαρού στοιχείου που βρίσκεται στη φύση μειώνεται επίσης, με αποτέλεσμα μεταγενέστερες ημερομηνίες ανακάλυψης».

Πότε ανακαλύφθηκαν τα αλκαλικά μέταλλα;

Το λίθιο ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1817 όταν ο Johan August Arfwedson, έναν Σουηδός χημικός, ανέλυε ορυκτό μετάλλευμα που το περιείχε. Το καίσιο και το ρουβίδιο ανακαλύφθηκαν το 1860 και το 1861, αντίστοιχα, από τους Γερμανούς χημικούς Robert Bunsen (ο οποίος δάνεισε το όνομά του στη λύχνο Bunsen) και Gustav Kirchhoff (ο οποίος επινόησε τους νόμους του Kirchhoff για το ηλεκτρικό ρεύμα). Το φράγκιο, το πιο δραστικό από τα αλκαλιμέταλλα που γνωρίζουμε, ανακαλύφθηκε το 1939 από τη Γαλλίδα επιστήμονα Marguerite Perey στο Ινστιτούτο Κιουρί στο Παρίσι.

Οι αλκαλικές μπαταρίες AA παρατάσσονται σε σειρές. Αυτές είναι κατασκευασμένες από λίθιο, ένα από τα αλκαλικά μέταλλα

Το νάτριο και το κάλιο, δύο πολύ κοινά αλκαλιμέταλλα, έχουν άγνωστες ημερομηνίες ανακάλυψης μιας και είναι σε χρήση για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Αλλά δεν απομονώθηκαν σε καθαρή μορφή μέχρι το 1807 (από τον διάσημο χημικό Humphrey Davy). Το ρουβίδιο δεν απομονώθηκε μέχρι το 1928 οπότε και το ανακάλυψαν οι Bunsen και Kirchhoff.

Ένα από τα πιο κοινά χαρακτηριστικά των αλκαλιμετάλλων είναι η αντιδραστικότητά τους στο νερό και τον αέρα. Αυτά τα στοιχεία στον αέρα, λόγω της αντίδρασής τους με τα στοιχεία της ατμόσφαιρας, παράγουν αέριο υδρογόνο και συχνά εκρήγνυνται. Γίνονται πιο αντιδραστικά όσο πιο κάτω πηγαίνετε στον περιοδικό πίνακα, με το καίσιο και το φράγκιο να είναι τόσο αντιδραστικά που μπορούν να τυλιχτούν στις φλόγες απλώς με την έκθεση στον αέρα. Καθώς κατεβαίνουμε στη στήλη, αυξάνεται η ατομική ακτίνα, μειώνεται η ηλεκτραρνητικότητα και μειώνονται τα σημεία τήξης και βρασμού.

Ίσως αναρωτιέστε πώς ανακαλύφθηκαν στη φύση τα αλκαλιμέταλλα αν αντιδρούν τόσο βίαια στον αέρα και το νερό. Λοιπόν, όπως αποδεικνύεται, τα περισσότερα από τα αλκαλιμέταλλα βρίσκονται στη φύση ως ιόντα λόγω της μεγάλης τάσης τους να αντιδράσουν και να χάσουν αυτό το ένα ηλεκτρόνιο σθένους. Στην ιοντική τους μορφή τα μέταλλα είναι πολύ λιγότερο αντιδραστικά.

Ατομική δομή και ισότοπα

Σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα βρίσκονται τα ηλεκτρόνια, εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια με αρνητικά φορτία. Τα ηλεκτρόνια διευκολύνουν τη δημιουργία χημικών δεσμών και οι κινήσεις τους μπορούν να παράγουν αυτό που ονομάζουμε ηλεκτρική ενέργεια. Τα πρωτόνια δεν είναι, ωστόσο, λιγότερο σημαντικά. Μία βασική τους ιδιότητα είναι ότι βοηθούν τους επιστήμονες να ξεχωρίσουν τα στοιχεία μεταξύ τους.

Ίσως έχετε παρατηρήσει ότι στις περισσότερες εκδόσεις του περιοδικού πίνακα, κάθε τετράγωνο έχει έναν μικρό αριθμό τυπωμένο στην πάνω δεξιά γωνία του, πάνω από το σύμβολο του στοιχείου. Αυτός ο αριθμός είναι γνωστός ως ατομικός αριθμός. Λέει στον αναγνώστη πόσα πρωτόνια υπάρχουν στον πυρήνα ενός συγκεκριμένου στοιχείου. Για παράδειγμα, ο ατομικός αριθμός του οξυγόνου είναι οκτώ. Κάθε άτομο οξυγόνου στο σύμπαν έχει έναν πυρήνα με ακριβώς οκτώ πρωτόνια. Ούτε περισσότερα, ούτε λιγότερα.

Χωρίς αυτή την πολύ συγκεκριμένη διάταξη σωματιδίων, το οξυγόνο δεν θα ήταν οξυγόνο. Ο ατομικός αριθμός κάθε στοιχείου - συμπεριλαμβανομένου του οξυγόνου - είναι εντελώς μοναδικός. Κανένα στοιχείο δεν μπορεί να έχει τον ίδιο ατομικό αριθμό με κάποιο άλλο. Κανένα άλλο στοιχείο δεν έχει οκτώ πρωτόνια στον πυρήνα του ατόμου του. Μετρώντας τον αριθμό των πρωτονίων, μπορούμε με σιγουριά να προσδιορίσουμε ένα στοιχείο. Ακριβώς όπως τα άτομα οξυγόνου θα έχουν πάντα οκτώ πρωτόνια, τα άτομα αζώτου έχουν πάντα επτά.

Τα νετρόνια δεν ακολουθούν αυτόν τον κανόνα. Όπως ειπώθηκε, ο πυρήνας σε ένα άτομο οξυγόνου είναι σίγουρο ότι φιλοξενεί οκτώ πρωτόνια. Ωστόσο, μπορεί επίσης να περιέχει μεταξύ τεσσάρων και 20 νετρονίων. Τα ισότοπα ενός στοιχείου είναι παραλλαγές του ίδιου στοιχείου που έχουν διαφορετικό αριθμό νετρονίων (και επομένως δυνητικά διαφορετικές φυσικές ιδιότητες). Ωστόσο, τείνουν να έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες.

Τώρα, κάθε ισότοπο ονομάζεται με βάση τον μαζικό του αριθμό, που είναι ο συνολικός συνδυασμένος αριθμός νετρονίων και πρωτονίων σε ένα άτομο. Για παράδειγμα, ένα από τα πιο γνωστά ισότοπα οξυγόνου ονομάζεται οξυγόνο-18 (O-18). Έχει τα τυπικά οκτώ πρωτόνια συν 10 νετρόνια.

Επομένως, ο μαζικός αριθμός του O-18 είναι 18. Ένα άλλο ισότοπο, το οξυγόνο-17 (O-17), έχει ένα λιγότερο νετρόνιο στον πυρήνα του. Το O-16, έχει τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων: οκτώ. Μεταξύ αυτής της τριάδας, το O-16 και το O-17 είναι τα ελαφρύτερα ισότοπα, και το O-16 είναι επίσης το πιο άφθονο ισότοπο από τα τρία.

Αυτή η απεικόνιση ενός ατομικού ρολογιού καισίου δείχνει τον σωλήνα δέσμης καισίου. Τα ατομικά ρολόγια καισίου είναι εξαιρετικά ακριβή. Θα έχαναν μόνο ένα δευτερόλεπτο χρόνου ανά εκατομμύρια χρόνια.

Ένα ραδιενεργό αλκάλιο

Το φράγκιο είναι το σπανιότερο από τα αλκαλικά μέταλλα και το δεύτερο πιο σπάνιο στοιχείο στον φλοιό της Γης (μόνο 340-550 γραμμάρια ή περίπου 1 λίβρα υπολογίζεται ότι βρίσκονται σε όλο το φλοιό της Γης). Τυχαίνει επίσης να είναι πολύ ραδιενεργό και έχει μέγιστη διάρκεια ζωής μόνο 22 λεπτά. Το φράγκιο δεν έχει αναμιχθεί με νερό, επειδή είναι τόσο σπάνιο και τόσο ακριβό, αλλά οι επιστήμονες αναμένουν ότι θα έχει την υψηλότερη αντίδραση από οποιοδήποτε άλλο αλκαλικό μέταλλο.

Τα αλκαλικά μέταλλα στην καθημερινή ζωή

Τα αλκαλικά μέταλλα έχουν μια ενδιαφέρουσα χημική δυαδικότητα, επειδή είναι πολύ κοινά στην καθημερινή ζωή αλλά και πολύ ασυνήθιστα στις στοιχειώδεις μορφές τους.

Για παράδειγμα, το νάτριο δεν υπάρχει στη φύση σε καθαρή μορφή και μπορεί να εξαχθεί μόνο από κάποια ένωση. Το νάτριο και το κάλιο είναι απαραίτητα στοιχεία για την καθημερινή ζωή, με το νάτριο να βοηθά στη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης και στη μετακίνηση των ηλεκτρολυτών στα κύτταρα. Το νάτριο συνδυάζεται επίσης με άλλες ενώσεις για να φτιάξει επιτραπέζιο αλάτι και μαγειρική σόδα. Το κάλιο βοηθά στη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης και της γλυκόζης και βρίσκεται στα λιπάσματα. Το λίθιο, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, χρησιμοποιείται στην παραγωγή μπαταριών αλλά και στην φαρμακοβιομηχανία.

Τα πιο δραστικά στοιχεία, το καίσιο, το ρουβίδιο και το φράγκιο, έχουν λιγότερες καθημερινές χρήσεις. Για παράδειγμα, το ρουβίδιο χρησιμοποιείται στην ιατρική απεικόνιση και σε σωλήνες κενού. Το φράγκιο, το οποίο είναι πολύ σπάνιο, δεν έχει πολλές εμπορικές εφαρμογές, αλλά χρησιμοποιείται στην έρευνα και στη διάγνωση ορισμένων μορφών καρκίνου.

Τέλος, όλα τα αλκαλιμέταλλα είναι επίσης απίστευτα χρήσιμα διδακτικά εργαλεία στον τομέα της χημείας. Οι εκπαιδευτές χημείας επιδεικνύουν την αρχή της αντιδραστικότητας ρίχνοντας ένα αλκαλιμέταλλο στο νερό μόνο και μόνο για να γίνει ορατή η ανάφλεξη και συνεπαγόμενη έκρηξη.

Πηγή: HowStuffWorks.gr

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER