Det finns alkalimetaller runt omkring dig just nu. Natrium finns i bordssalt, litium i telefonens batteri och kalium i bananer.
Innehåll
Alkalimetaller är de sex olika kemiska grundämnena som finns i den första kolumnen i det periodiska systemet:litium (Li), natrium (Na), kalium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) och francium (Fr).
Alkalimetallgruppen är en del av S-blocket av grundämnen i det periodiska systemet, som tillsammans med väte, helium, kalcium och andra har sin yttersta elektron i en S-orbital.
Alkalimetallerna är mjuka metaller som är mycket reaktiva med vatten och syre. De är så mjuka att du kan skära dem med en plastkniv. De har också en silverliknande glans och är bra ledare av värme och ljus.
Alkalimetaller kallas så för att när alkalimetaller reagerar med vatten skapar de mycket alkaliska ämnen. Alkalinitet hänvisar till ämnets pH, eller förmågan att neutralisera syra. Ämnen som är mycket alkaliska kan bilda starka baser som kan neutralisera syror och bibehålla en stabil pH-nivå.
Alkalimetaller ska inte förväxlas med alkaliska jordartsmetaller.
Varje grundämne har en kärna som består av protoner och neutroner, och alkalimetaller är inte annorlunda. Runt kärnan av atomer finns elektroner, som är partiklar med negativ laddning. Dessa elektroner finns i energiskal runt atomernas kärna, som var och en kan hålla ett varierande antal elektroner. Det första skalet kan hålla upp till två elektroner; den andra upp till åtta; den tredje, 18; och den fjärde, 32. Det är dessa elektronskal och hur alkalimetaller är uppbyggda som gör dem så reaktiva.
Alla atomer vill naturligtvis ha en fullständig uppsättning yttre elektroner. Men element i den första kolumnen i det periodiska systemet har alla en elektron i sitt yttersta skal. Detta yttre skal kallas också valensskalet, och elektronerna som finns där kallas valenselektroner.
Att bara ha en valenselektron i det yttersta skalet gör det mycket lätt för alkalimetallatomerna att nå stabilitetspunkter - de behöver bara förlora en elektron! Denna vilja och lätthet att förlora en elektron för att nå ett tillstånd av jämvikt kallas hög reaktivitet. Faktum är att reaktivitet i kemi definieras av antalet elektroner i det yttersta skalet.
Ädelgaser (grundämnen som neon och helium) är inte särskilt reaktiva eftersom deras yttersta elektronskal är fulla. Det är därför kemister talar om atomer som vill uppnå en "ädelgaskonfiguration."
"Eftersom alkalimetallerna bara har en valenselektron uppnår de vanligtvis detta tillstånd genom att ge upp den elektronen. I denna process sägs alkalimetallen oxideras, och det som tar elektronen från alkalimetallen reduceras. Alla alkalimetaller gillar att ge upp sin singelvalenselektron", säger Dr. Chip Nataro, kemiprofessor vid Lafayette College i Easton, Pennsylvania.
"Eftersom elektroner har en laddning på -1, gör att en elektron förlorar att atomen har en laddning på +1. När detta händer kallas atomen för en jon och eftersom den skulle ha en positiv laddning kallas den för en katjon Så, alla alkalimetaller gillar att göra katjoner som har en laddning på +1."
Eftersom alkalimetaller reagerar lätt, finns de vanligtvis tillsammans med andra metaller i naturen. Till exempel är natriumklorid (bordssalt) och natriumkarbonat (soda) allmänt tillgängliga natriumföreningar.
Om ett element är mycket reaktivt är det svårare att hitta sin rena form i naturen.
"Alla dessa element upptäcktes först i föreningar [och] några av upptäckterna är svåra att tillskriva på grund av överflöd och användning av föreningarna", säger Nataro. "När du går ner i det periodiska systemet, blir alkalimetallerna mer benägna att förlora sin valenselektron" och därmed "minskar också mängden av grundämnet som finns i naturen, [vilket resulterar i] senare upptäcktsdatum."
Litium upptäcktes första gången 1817 när Johan August Arfwedson, en svensk kemist, analyserade mineralmalm. Cesium och rubidium upptäcktes 1860 respektive 1861 av de tyska kemisterna Robert Bunsen (som lånade ut hans namn till Bunsen-brännaren) och Gustav Kirchhoff (som utarbetade Kirchhoffs lagar för elektrisk ström). Francium, den mest reaktiva av de alkalimetaller vi för närvarande känner till, upptäcktes 1939 av den franska forskaren Marguerite Perey vid Curie-institutet i Paris.
Natrium och kalium, två mycket vanliga alkalimetaller, har okända upptäcktsdatum eftersom de har använts så länge. Men forskare kunde inte isolera de rena grundämnena förrän den berömda kemisten Humphrey Davy 1807. Rubidium isolerades inte förrän 1928, också av Bunsen och Kirchhoff.
Alkalimetaller reagerar kraftigt på vatten och luft. Dessa element kommer att dansa runt, fräsande på grund av produktionen av vätgas, och ofta explodera. De blir mer reaktiva ju längre ner på det periodiska systemet man kommer också, där cesium och francium är så reaktiva att de kan brinna i lågor bara genom att exponeras för luften. Grundämnena ökar också i atomradie, minskar i elektronegativitet och minskar i smält- och kokpunkter när du rör dig ner i det periodiska systemet.
Du kanske undrar hur alkalimetallerna någonsin upptäcktes i naturen om de reagerar så häftigt på luft och vatten. Tja, som det visar sig, finns de flesta av alkalimetallerna i naturen som joner på grund av deras höga önskan att reagera och förlora den ena valenselektronen. I sin jonform är metallerna mycket mindre reaktiva.
Alkalimetaller har en intressant kemisk dualitet, eftersom de är mycket vanliga i vardagen men också mycket ovanliga i sina råa elementära former.
Till exempel är kalium- och natriumjoner viktiga näringsämnen; som elektrolyter reglerar de blodtrycket och vätskebalansen i kroppen. Du kan inte köpa rena natriumatomer i affären, men du kan hitta det i många livsmedel såväl som i bordssalt (natriumklorid), bakpulver (natriumbikorbonat) och lut (natriumhydroxid aka kaustiksoda).
Kaliumsalter (kaliumklorid) kan användas för att behandla lågt kalium i blodet och är en viktig ingrediens i handelsgödsel. Kaliumhydroxid används i tvållösningar. Kaliumnitrat (saltpeter) användes för att göra krut och är för övrigt ett utmärkt livsmedelskonserveringsmedel, som ansvarar för att ge korvar och annat bearbetat kött deras rosa nyans.
Litium används i batteriproduktion och litiumsalter används som ett humörstabiliserande läkemedel.
De mer reaktiva grundämnena, cesium, rubidium och francium, har färre naturliga användningsområden. Cesium används i atomur, borrning och för att skapa optiskt glas bland andra mycket specialiserade applikationer. Rubidium används i medicinsk bildbehandling och vakuumrör. Francium, som är mycket sällsynt, har inte många kommersiella tillämpningar men används i forskning och för att diagnostisera vissa former av cancer.
Slutligen är alla alkalimetaller också otroligt användbara läromedel inom kemiområdet. Lärare älskar att demonstrera principen om reaktivitet genom att släppa en alkalimetall i vatten bara för att klassen ska se i vördnad när den spyr eld och exploderar.
Nu är det radioaktivt!Francium är den sällsyntaste av alkalimetallerna och det näst sällsynta elementet i jordskorpan (endast 340-550 gram eller cirka 1 pund beräknas finnas i jordskorpan). Det råkar också vara mycket radioaktivt och har en maximal livslängd på bara 22 minuter. Francium har aldrig tappats i vatten, eftersom det är så sällsynt och så dyrt, men forskarna förväntar sig att det skulle ha den högsta reaktionen av någon alkalimetall.
