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알칼리 금속 특성
홀-홀 핵의 매우 드문 특성 때문에, 알칼리 금속의 거의 모든 원시 동위 원소는 홀-짝이다 (예외는 가벼운 안정 동위 원소 리튬-6과 긴 수명을 가진 방사성 동위 원소 칼륨-40). 주어진 홀수 질량수에 대해서는 단 하나의 베타 안정 핵종만 있을 수 있다. 왜냐하면 짝-홀과 홀-짝 사이의 결합 에너지 차이는 짝-짝과 홀-홀 사이의 차이에 비해 무시할 만하기 때문에 같은 질량수를 가진 다른 핵종 (동중 원소)는 가장 가벼운 핵종으로 베타 붕괴를 자유롭게 일으킬 수 있다. 어떤 유형의 핵자라도 홀수가 불안정하다는 효과는 알칼리 금속과 같은 홀수 원소가 짝수 원소보다 안정 동위 원소가 더 적은 경향이 있다는 것이다. 단 하나의 안정 동위 원소만을 가진 26개의 단일 동위 원소 중, 하나를 제외하고는 모두 홀수 원자 번호를 가지며, 하나를 제외하고는 모두 짝수 중성자 수를 가진다. 베릴륨은 낮은 원자 번호 때문에 이 두 규칙에 대한 유일한 예외이다.
리튬과 세슘을 제외한 모든 알칼리 금속은 적어도 하나의 자연적으로 발생하는 방사성 동위 원소를 가진다. 나트륨-22와 나트륨-24는 우주선 생성으로 생성되는 미량 방사성 동위 원소이며, 칼륨-40과 루비듐-87은 매우 긴 반감기를 가지므로 자연적으로 존재하고, 프랑슘 동위 원소는 모두 방사성이다. 세슘도 20세기 초에는 방사성으로 여겨졌지만, 자연적으로 발생하는 방사성 동위 원소는 없다. (당시에는 프랑슘이 발견되지 않았다.) 칼륨의 자연적인 장수명 방사성 동위 원소인 칼륨-40은 자연 칼륨의 약 0.012%를 차지하므로, 자연 칼륨은 약하게 방사성을 띤다. 이 자연 방사능은 1925년에 원소 87 (세슘 다음 알칼리 금속)의 발견에 대한 오해의 소지가 있는 주장의 기초가 되었다. 자연 루비듐도 비슷하게 약간 방사성을 띠며, 27.83%가 장수명 방사성 동위 원소인 루비듐-87이다.:74
반감기가 30.17년인 세슘-137은 스트론튬-90과 함께 사용후핵연료의 방사능 대부분을 차지하는 두 가지 주요 중간 수명 핵분열 생성물 중 하나이다. 이는 체르노빌 원자력 발전소 사고 이후 남아있는 방사능의 대부분을 구성한다. 세슘-137은 고에너지 베타 붕괴를 겪으며 결국 안정적인 바륨-137이 된다. 이는 강한 감마선을 방출한다. 세슘-137은 중성자 포획률이 매우 낮아 이러한 방식으로 처분하기 어렵고, 붕괴되도록 두어야 한다. 세슘-137은 삼중수소의 사용과 유사하게 수문학 연구에서 추적자로 사용되었다. 소량의 세슘-134와 세슘-137은 거의 모든 핵무기 시험과 일부 원자력 사고, 특히 고이아니아 방사능 유출사고와 체르노빌 원자력 발전소 사고 중에 환경으로 방출되었다. 2005년 기준으로, 세슘-137은 체르노빌 원자력 발전소 주변의 격리 구역에서 방사능을 내뿜는 주요 원천이다. 알칼리 금속 중 하나로서의 화학적 특성 때문에, 염의 높은 수용성으로 인해 자연에서 쉽게 이동하고 확산되며, 필수 동족체인 나트륨과 칼륨으로 오인되어 신체에 흡수되므로 단명-중간 수명의 핵분열 생성물 중 가장 문제가 되는 것 중 하나이다.:114
알칼리 금속 주기적 성질
알칼리 금속은 다른 족의 원소보다 서로 더 유사하다. 예를 들어, 주기율표에서 아래로 내려갈수록 모든 알려진 알칼리 금속은 원자 반지름이 증가하고, 전기 음성도가 감소하며, 반응성이 증가하고, 녹는점과 끓는점뿐만 아니라 융해열과 증발열이 감소하는 경향을 보인다.:75 일반적으로 칼륨이 나트륨보다 밀도가 낮다는 예외를 제외하고는 주기율표에서 아래로 내려갈수록 밀도가 증가한다.
알칼리 금속의 원자 반지름은 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 가림 효과 때문에 원자가 하나 이상의 전자 껍질을 가질 때, 각 전자는 핵으로부터의 전기적 인력뿐만 아니라 다른 전자로부터의 전기적 반발력을 느낀다. 알칼리 금속에서 가장 바깥쪽 전자는 +1의 순 전하만을 느끼는데, 이는 핵 전하 (이는 원자 번호와 같다)의 일부가 내부 전자에 의해 상쇄되기 때문이다. 알칼리 금속의 내부 전자의 수는 항상 핵 전하보다 하나 적다. 그러므로 알칼리 금속의 원자 반지름에 영향을 미치는 유일한 요인은 전자 껍질의 수이다. 이 수는 족 아래로 내려갈수록 증가하므로, 원자 반지름도 족 아래로 내려갈수록 증가해야 한다.
알칼리 금속 주기적 성질
알칼리 금속의 이온 반지름은 원자 반지름보다 훨씬 작다. 이는 알칼리 금속의 가장 바깥쪽 전자가 내부 전자와는 다른 전자 껍질에 있고, 따라서 이 전자가 제거되면 결과적인 원자는 전자 껍질이 하나 줄어들어 더 작아지기 때문이다. 또한, 유효 핵전하가 증가하여 전자가 핵에 더 강하게 끌리므로 이온 반지름이 감소한다.
알칼리 금속 주기적 성질
원소 또는 분자의 1차 이온화 에너지는 원소 또는 분자의 기체 원자 1 몰에서 가장 느슨하게 결합된 전자를 제거하여 전하 +1을 가진 기체 이온 1 몰을 형성하는 데 필요한 에너지이다. 1차 이온화 에너지에 영향을 미치는 요인은 핵 전하, 내부 전자에 의한 가림 효과의 양, 그리고 핵에서 가장 느슨하게 결합된 전자(항상 주족 원소의 바깥쪽 전자)까지의 거리이다. 처음 두 요인은 가장 느슨하게 결합된 전자가 느끼는 유효 핵전하를 변화시킨다. 알칼리 금속의 가장 바깥쪽 전자는 항상 동일한 유효 핵전하(+1)를 느끼므로, 1차 이온화 에너지에 영향을 미치는 유일한 요인은 가장 바깥쪽 전자에서 핵까지의 거리이다. 이 거리는 족 아래로 내려갈수록 증가하므로, 가장 바깥쪽 전자는 핵으로부터 더 적은 인력을 느끼고 따라서 1차 이온화 에너지는 감소한다. 이러한 경향은 프랑슘에서 상대론적 안정화 및 7s 궤도의 수축으로 인해 깨지며, 이로 인해 프랑슘의 원자가 전자가 비상대론적 계산에서 예상되는 것보다 핵에 더 가까워진다. 이로 인해 프랑슘의 가장 바깥쪽 전자는 핵으로부터 더 많은 인력을 느끼게 되어 첫 번째 이온화 에너지가 세슘보다 약간 증가한다.:1729
알칼리 금속 주기적 성질
알칼리 금속의 2차 이온화 에너지는 첫 번째 이온화 에너지보다 훨씬 높다. 왜냐하면 두 번째로 가장 느슨하게 결합된 전자는 완전히 채워진 전자 껍질의 일부이므로 제거하기 어렵기 때문이다.
알칼리 금속의 반응성은 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 이는 알칼리 금속의 1차 이온화 에너지와 원자화 에너지 두 가지 요인 때문에 발생한다. 알칼리 금속의 첫 번째 이온화 에너지는 족 아래로 내려갈수록 감소하므로, 가장 바깥쪽 전자가 원자에서 제거되어 화학 반응에 참여하기가 더 쉬워져 족 아래로 갈수록 반응성이 증가한다. 원자화 에너지는 원소의 금속 결합의 강도를 측정하는데, 원자 반지름이 증가함에 따라 금속 결합의 길이가 길어져 무거운 알칼리 금속의 핵 인력으로부터 비편재화된 전자가 더 멀어지기 때문에 족 아래로 내려갈수록 감소한다. 원자화 에너지와 1차 이온화 에너지를 합하면 알칼리 금속과 다른 물질의 반응의 활성화 에너지와 밀접하게 관련된 양(같지는 않지만)을 얻는다. 이 양은 족 아래로 내려갈수록 감소하고 활성화 에너지도 감소하므로, 화학 반응은 더 빠르게 일어날 수 있고 족 아래로 내려갈수록 반응성이 증가한다.
알칼리 금속 주기적 성질
전기 음성도는 원자 또는 작용기가 전자 (또는 전자 밀도)를 자신에게 끌어당기는 경향을 나타내는 화학적 성질이다. 염화 나트륨에서 나트륨과 염소 사이의 결합이 공유 결합이라면, 공유 전자쌍은 염소로 끌릴 것이다. 왜냐하면 염소의 바깥쪽 전자에 대한 유효 핵 전하가 +7이지만 나트륨에서는 +1에 불과하기 때문이다. 전자쌍은 염소 원자에 너무 가까이 끌려가 거의 염소 원자로 이동하는 것과 같다 (이온 결합). 그러나 나트륨 원자가 리튬 원자로 대체된다면, 리튬 원자가 더 작아서 전자쌍이 리튬으로부터 더 가까운 유효 핵 전하에 더 강하게 끌리므로 전자는 이전만큼 염소 원자에 가깝게 끌리지 않을 것이다. 따라서 더 큰 알칼리 금속 원자 (족 아래로 내려갈수록)는 결합 쌍이 자신들에게 덜 강하게 끌리므로 전기 음성도가 더 낮을 것이다. 앞서 언급했듯이 프랑슘은 예외일 것으로 예상된다.
알칼리 금속 주기적 성질
리튬의 높은 전기 음성도 때문에, 일부 화합물은 더 많은 공유성 특성을 가진다. 예를 들어, 아이오딘화 리튬(LiI)은 대부분의 공유 화합물의 특성인 유기 용매에 용해된다. 플루오린화 리튬(LiF)은 물에 용해되지 않는 유일한 알칼리 금속 할라이드이며, 수산화 리튬(LiOH)은 조해성이 없는 유일한 알칼리 금속 수산화물이다.
물질의 녹는점은 상태가 고체에서 액체로 변하는 지점이며, 물질 (액체 상태)의 끓는점은 액체의 증기압이 액체를 둘러싼 환경 압력과 같아지는 지점이며 모든 액체가 기체로 상태를 변화시키는 지점이다. 금속이 녹는점까지 가열되면 원자를 제자리에 고정시키는 금속 결합이 약해져 원자가 움직일 수 있게 되고, 금속의 끓는점에서는 금속 결합이 결국 완전히 끊어진다. 따라서 알칼리 금속의 녹는점과 끓는점이 감소하는 것은 알칼리 금속의 금속 결합 강도가 족 아래로 내려갈수록 약해진다는 것을 나타낸다. 이는 금속 원자들이 양이온과 비편재화된 전자 사이의 전자기적 인력에 의해 결합되어 있기 때문이다. 족 아래로 내려갈수록 원자의 크기가 증가함에 따라 (원자 반지름이 증가하기 때문에), 이온의 핵은 비편재화된 전자로부터 더 멀리 떨어지게 되고, 따라서 금속 결합은 약해져 금속이 더 쉽게 녹고 끓을 수 있게 되어 녹는점과 끓는점이 낮아진다. 증가된 핵 전하는 가림 효과 때문에 관련 요인이 아니다.
알칼리 금속은 모두 같은 결정 구조 (체심 입방 격자)를 가지므로 유일한 관련 요인은 특정 부피에 들어갈 수 있는 원자의 수와 원자 하나의 질량이다. 밀도는 단위 부피당 질량으로 정의되기 때문이다. 첫 번째 요인은 원자의 부피, 즉 원자 반지름에 따라 달라지며, 이는 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 따라서 알칼리 금속 원자의 부피는 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 알칼리 금속 원자의 질량도 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 따라서 알칼리 금속 밀도의 경향은 원자량과 원자 반지름에 따라 달라진다. 이 두 요인의 수치를 알면 알칼리 금속 밀도 간의 비율을 계산할 수 있다. 그 결과는 칼륨에서 예외를 제외하고 알칼리 금속의 밀도가 주기율표 아래로 내려갈수록 증가한다는 것이다. 그들 주기에서 모든 원소 중 가장 낮은 원자량과 가장 큰 원자 반지름을 가지므로, 알칼리 금속은 주기율표에서 가장 밀도가 낮은 금속이다. 리튬, 나트륨, 칼륨은 주기율표에서 물보다 밀도가 낮은 유일한 세 금속이다. 실제로 리튬은 실온에서 알려진 가장 밀도가 낮은 고체이다.:75
알칼리 금속 화합물
알칼리 금속은 일반적으로 만나는 모든 음이온과 완전한 계열의 화합물을 형성하며, 이는 족의 경향을 잘 보여준다. 이 화합물은 알칼리 금속이 수용체 종에게 전자를 잃고 단일 양이온을 형성하는 것으로 설명될 수 있다.:79 이 설명은 알칼리 할라이드에 대해 가장 정확하며, 양이온 및 음이온 전하가 증가하고 음이온이 더 커지고 더 편극화될수록 점점 덜 정확해진다. 예를 들어, 이온 결합은 NaCl, Na2O, Na2S, Na3P, Na3As, Na3Sb, Na3Bi, Na 계열을 따라 금속 결합으로 바뀐다.:81
알칼리 금속 화합물
모든 알칼리 금속은 차가운 물과 격렬하게 또는 폭발적으로 반응하여 강한 염기성 알칼리 금속 수산화물의 수용액을 생성하고 수소 가스를 방출한다. 이 반응은 족 아래로 내려갈수록 더 격렬해진다. 리튬은 거품과 함께 꾸준히 반응하지만, 나트륨과 칼륨은 불이 붙을 수 있고, 루비듐과 세슘은 물에 가라앉아 수소 가스를 너무 빠르게 발생시켜 물속에 충격파가 형성되어 유리 용기를 깨뜨릴 수 있다. 알칼리 금속이 물에 떨어지면 폭발이 발생하며, 이는 두 단계로 나뉜다. 금속은 먼저 물과 반응하여 물의 수소 결합을 끊고 수소 가스를 생성한다. 이는 반응성이 더 큰 무거운 알칼리 금속에서 더 빠르게 일어난다. 둘째, 반응의 첫 번째 부분에서 생성된 열은 종종 수소 가스에 불을 붙여 주변 공기에서 폭발적으로 연소하게 한다. 이 2차 수소 가스 폭발은 물그릇, 호수 또는 다른 수역 위에 보이는 불꽃을 생성하며, 금속과 물의 초기 반응 (주로 물속에서 일어나는 경향이 있다)에서 나오는 것이 아니다. 알칼리 금속 수산화물은 알려진 가장 염기성인 수산화물이다.:87
알칼리 금속 화합물
최근 연구에 따르면 물 속 알칼리 금속의 폭발적 거동은 수소 자체의 급격한 생성보다는 쿨롱 폭발에 유발된다고 한다. 모든 알칼리 금속은 물과의 반응 과정에서 녹는다. 물 분자는 액체 금속의 벗겨진 금속 표면을 이온화하여 양전하를 띤 금속 표면과 음전하를 띤 물 이온을 남긴다. 하전된 금속과 물 이온 사이의 인력은 표면적을 빠르게 증가시켜 이온화를 기하급수적으로 증가시킨다. 액체 금속 표면 내의 반발력이 표면 장력의 힘을 초과하면 격렬하게 폭발한다.
수산화물 자체는 알려진 가장 염기성인 수산화물이며, 산과 반응하여 염을 생성하고 알코올과 반응하여 올리고머 알콕사이드를 생성한다. 그들은 이산화 탄소와 쉽게 반응하여 탄산염 또는 탄산수소염을 형성하거나, 황화 수소와 반응하여 황화물 또는 황화수소염을 형성하며, 싸이올을 석유에서 분리하는 데 사용될 수 있다. 그들은 양쪽성 산화물과 반응한다. 예를 들어, 알루미늄, 아연, 주석, 납의 산화물은 알칼리 금속 수산화물과 반응하여 알루미늄산염, 아연산염, 주석산염, 납산염을 생성한다. 이산화 규소는 산성이므로 알칼리 금속 수산화물은 규산염 유리도 침식할 수 있다.:87
알칼리 금속 화합물
알칼리 금속은 서로 및 주기율표의 2족에서 13족까지의 원소들과 다양한 화학량론의 많은 금속간 화합물을 형성한다.:81 예를 들어, 수은과의 나트륨 아말감에는 Na5Hg8과 Na3Hg가 있다. 이들 중 일부는 이온적 특성을 가진다. 가장 전기 음성적인 금속인 금과의 합금을 예로 들면, NaAu와 KAu는 금속성을 띠지만, RbAu와 CsAu는 반도체이다.:81 NaK는 나트륨과 칼륨의 합금으로, 상온에서 액체 상태를 유지하여 매우 유용하지만, 물과 공기에 대한 극심한 반응성 때문에 주의해야 한다. 이 공융 혼합물은 -12.6 °C에서 녹는다. 세슘 41%, 나트륨 47%, 칼륨 12%의 합금은 알려진 모든 금속 또는 합금 중에서 가장 낮은 녹는점인 -78 °C를 가진다.
알칼리 금속 화합물
알칼리 금속과 더 무거운 13족 원소(알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨)의 금속간 화합물, 예를 들어 NaTl은 이전 원소와의 일반적인 합금과는 달리 전도성이 낮거나 반도체이다. 이는 관련된 알칼리 금속이 전자를 친텔 음이온에 뺏겼음을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 14족 이상의 원소가 불연속적인 음이온 클러스터를 형성하는 경향이 있는 반면, 13족 원소의 경우 거대 이온 격자 사이에 알칼리 금속 양이온이 위치한 고분자 이온을 형성하는 경향이 있다. 예를 들어, NaTl은 공유 다이아몬드형 입방 결정 구조를 가진 고분자 음이온 (—Tl−—)n으로 구성되며, 음이온 격자 사이에 Na+ 이온이 위치한다. 더 큰 알칼리 금속은 유사하게 음이온 격자에 들어갈 수 없으며, 더 무거운 13족 원소들이 음이온 클러스터를 형성하도록 유도하는 경향이 있다.
알칼리 금속 화합물
붕소는 13족 원소 중 유일한 비금속이라는 점에서 특별한 경우이다. 알칼리 금속 붕소화물은 붕소 함량이 높고, 델타다면체 구조를 포함하는 상당한 붕소-붕소 결합을 가지며,:147–8 고온에서 알칼리 금속이 매우 높은 증기압을 가지므로 열적으로 불안정하다. 이로 인해 알칼리 금속이 700°C 미만에서는 붕소와 반응하지 않으므로 직접 합성하는 데 문제가 있다. 따라서 과량의 알칼리 금속과 함께 밀봉된 용기에서 합성해야 한다. 또한, 이 족에서는 예외적으로 붕소와의 반응성이 족 아래로 내려갈수록 감소한다. 리튬은 700°C에서 완전히 반응하지만, 나트륨은 900°C, 칼륨은 1200°C가 되어서야 반응하며, 리튬은 즉각적인 반응을 보이지만 칼륨은 몇 시간이 걸린다. 루비듐과 세슘 붕소화물은 특성이 규명되지도 않았다. LiB10, NaB6, NaB15, KB6와 같은 다양한 상들이 알려져 있다. 고압에서는 리튬 붕소화물의 붕소-붕소 결합이 웨이드 규칙을 따르는 것에서 13족의 나머지 원소와 같은 친텔 음이온을 형성하는 것으로 바뀐다.
알칼리 금속 화합물
리튬과 나트륨은 탄소와 반응하여 아세틸라이드인 Li2C2와 Na2C2를 형성하는데, 이는 금속을 아세틸렌과 반응시켜서도 얻을 수 있다. 칼륨, 루비듐, 세슘은 흑연과 반응한다. 이들의 원자는 육각형 흑연층 사이에 층간 삽입되어 MC60 (짙은 회색, 거의 검은색), MC48 (짙은 회색, 거의 검은색), MC36 (파란색), MC24 (강철색), MC8 (청동색)의 흑연 층간 물질을 형성한다 (M = K, Rb, 또는 Cs). 이 화합물들은 순수한 흑연보다 200배 이상 전기 전도성이 높아, 알칼리 금속의 원자가 전자가 흑연층으로 이동했음을 시사한다 (예: M+C−8). KC8를 가열하면 칼륨 원자가 제거되어 순차적으로 KC24, KC36, KC48, 마지막으로 KC60으로 전환된다. KC8은 매우 강한 환원제이며, 자연발화성이고 물과 접촉하면 폭발한다. 더 큰 알칼리 금속 (K, Rb, Cs)은 처음에는 MC8을 형성하는 반면, 더 작은 알칼리 금속은 처음에는 MC6를 형성하며, 실제로 이를 형성하기 위해서는 금속을 약 500°C의 고온에서 흑연과 반응시켜야 한다. 이 외에도 알칼리 금속은 매우 강한 환원제이므로 버크민스터풀러렌을 환원시켜 고체 풀러라이드 MnC60을 생성할 수 있다. 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘은 n = 2, 3, 4, 또는 6인 풀러라이드를 형성할 수 있으며, 루비듐과 세슘은 추가로 n = 1을 이룰 수 있다.:285
알칼리 금속 화합물
알칼리 금속이 탄소족 원소의 더 무거운 원소들(규소, 저마늄, 주석, 납)과 반응할 때, M4Si4 (M = K, Rb, 또는 Cs)와 같이 케이지 모양의 구조를 가진 이온성 물질인 규소화물이 형성되는데, 이는 M+와 사면체 Si4−4 이온을 포함한다. 저마늄화물 이온 Ge4− 및 Ge2−4, Ge4−9, Ge2−9, [(Ge9)2]6−와 같은 다른 클러스터 (친텔) 이온을 포함하는 알칼리 금속 저마늄화학은 대체로 해당 규소화물의 화학 특성과 유사하다.:393 알칼리 금속 주석화물은 대부분 이온성이며, 때로는 주석화물 이온 (Sn4−)을 포함하고, 때로는 테트라칼륨 노나주석화물 (K4Sn9)에 나타나는 Sn4−9와 같은 더 복잡한 친텔 이온을 포함한다. 단원자 납화물 이온 (Pb4−)은 알려져 있지 않으며, 실제로 그 형성 자체가 에너지적으로 불리할 것으로 예측된다. 알칼리 금속 납화물은 Pb4−9와 같은 복합 친텔 이온을 가진다. 이러한 알칼리 금속 저마늄화물, 주석화물 및 납화물은 액체 암모니아에서 저마늄, 주석, 납을 나트륨 금속으로 환원시켜 생성될 수 있다.:394
알칼리 금속 화합물
가장 가벼운 알칼리 금속인 리튬은 표준 조건에서 질소와 반응하는 유일한 알칼리 금속이며, 그 질화물은 유일한 안정 알칼리 금속 질화물이다. 질소는 다이질소 분자(N2)의 강한 삼중 결합을 끊는 데 많은 에너지가 필요하기 때문에 비활성 기체이다. 알칼리 금속 질화물 형성은 알칼리 금속의 이온화 에너지(M+ 이온 형성), N2의 삼중 결합을 끊는 데 필요한 에너지, N3− 이온 형성 등을 소비하며, 알칼리 금속 질화물 형성에서 방출되는 모든 에너지는 알칼리 금속 질화물의 격자에너지로부터 온다. 격자 에너지는 작고 전하가 높은 이온에서 최대화된다. 알칼리 금속은 전하가 높은 이온을 형성하지 않고 +1의 전하를 가진 이온만 형성하므로, 가장 작은 알칼리 금속인 리튬만이 질소와의 반응을 발열 반응으로 만들기에 충분한 격자 에너지를 방출하여 질화 리튬을 형성할 수 있다. 다른 알칼리 금속과 질소의 반응은 충분한 격자 에너지를 방출하지 못하여 흡열 반응이 될 것이므로, 표준 조건에서는 질화물을 형성하지 않는다. 질화 나트륨(Na3N)과 질화 칼륨(K3N)은 존재하지만 극도로 불안정하며, 구성 원소로 다시 분해되기 쉽고, 표준 조건에서 원소들을 서로 반응시켜 생성할 수 없다. 입체 장애는 루비듐 또는 세슘 질화물의 존재를 허용하지 않는다.:417 그러나 나트륨과 칼륨은 선형 N−3 음이온을 포함하는 무색의 아자이드 염을 형성한다. 알칼리 금속 양이온의 큰 크기 때문에, 이들은 분해되기 전에 녹을 수 있을 만큼 열적으로 안정하다.:417
알칼리 금속 화합물
모든 알칼리 금속은 인과 비소와 쉽게 반응하여 M3Pn (M은 알칼리 금속을, Pn은 프닉토겐으로 인, 비소, 안티모니, 비스무트를 나타냄) 공식을 가진 인화물과 비소화물을 형성한다. 이는 P3− 및 As3− 이온의 더 큰 크기 때문이며, 따라서 염이 형성되기 위해 더 적은 격자 에너지가 방출되어야 한다. 이들은 알칼리 금속의 유일한 인화물 및 비소화물이 아니다. 예를 들어, 칼륨은 K3P, K4P3, K5P4, KP, K4P6, K3P7, K3P11, KP10.3, KP15와 같은 9가지 알려진 인화물을 가진다. 대부분의 금속이 비소화물을 형성하는 반면, 알칼리 및 알칼리 토금속만이 주로 이온성 비소화물을 형성한다. Na3As의 구조는 나트륨 금속보다 짧은 328~330 pm의 비정상적으로 짧은 Na–Na 거리를 가지는 복잡한 구조를 가지며, 이는 이러한 전기 양성 금속에서도 결합이 단순히 이온적일 수 없음을 나타낸다. M3As 공식을 따르지 않는 다른 알칼리 금속 비소화물도 알려져 있는데, 예를 들어 LiAs는 금속 광택과 전기 전도성을 가지며, 이는 일부 금속 결합의 존재를 나타낸다. 안티모니화물은 Sb3− 이온이 강한 환원제이기 때문에 불안정하고 반응성이 높다. 이들을 산과 반응시키면 유독하고 불안정한 기체 스티빈(SbH3)이 형성된다. 실제로 이들은 일부 금속성 특성을 가지며, 화학량론 MSb의 알칼리 금속 안티모니화물은 나선형 친텔 구조로 결합된 안티모니 원자를 포함한다. 비스무트화물은 완전히 이온성도 아니다. 이들은 부분적으로 금속적이고 부분적으로 이온적인 결합을 포함하는 금속간 화합물이다.
알칼리 금속 화합물
모든 알칼리 금속은 표준 조건에서 산소와 격렬하게 반응한다. 그들은 단순 산화물(O2− 이온 포함), 과산화물(두 산소 원자 사이에 단일 결합이 있는 O2−2 이온 포함), 초과산화물(O−2 이온 포함) 등 다양한 유형의 산화물을 형성한다. 리튬은 공기 중에서 연소하여 산화 리튬을 형성하지만, 나트륨은 산소와 반응하여 산화 나트륨과 과산화 나트륨의 혼합물을 형성한다. 칼륨은 과산화 칼륨과 초과산화 칼륨의 혼합물을 형성하고, 루비듐과 세슘은 초과산화물만을 형성한다. 그들의 반응성은 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 리튬, 나트륨, 칼륨은 단순히 공기 중에서 연소하지만, 루비듐과 세슘은 자연발화성이다 (공기 중에서 자연적으로 불이 붙는다).
알칼리 금속 화합물
더 작은 알칼리 금속은 작은 크기 때문에 더 큰 음이온(과산화물과 초과산화물)을 분극시키는 경향이 있다. 이는 더 복잡한 음이온의 전자를 구성 산소 원자 중 하나로 끌어당겨 산화물 이온과 산소 원자를 형성한다. 이로 인해 리튬은 실온에서 산소와 반응할 때 산화물만을 형성한다. 이 효과는 더 큰 나트륨과 칼륨에서 현저히 약해져 덜 안정한 과산화물을 형성할 수 있게 한다. 족의 맨 아래에 있는 루비듐과 세슘은 너무 커서 가장 불안정한 초과산화물조차 형성할 수 있다. 초과산화물은 형성될 때 가장 많은 에너지를 방출하므로, 더 복잡한 음이온이 분극되지 않는 더 큰 알칼리 금속에서는 초과산화물이 우선적으로 형성된다. 이 알칼리 금속의 산화물과 과산화물은 존재하지만, 표준 조건에서 금속이 산소와 직접 반응하여 형성되지는 않는다. 또한, Li+와 O2− 이온의 작은 크기는 안정적인 이온 격자 구조를 형성하는 데 기여한다. 그러나 통제된 조건에서는 프랑슘을 제외한 모든 알칼리 금속이 산화물, 과산화물 및 초과산화물을 형성하는 것으로 알려져 있다. 알칼리 금속 과산화물과 초과산화물은 강력한 산화제이다. 과산화 나트륨과 초과산화 칼륨은 이산화 탄소와 반응하여 알칼리 금속 탄산염과 산소 가스를 형성하며, 이는 잠수함 공기 청정기에 사용될 수 있다. 호흡에 자연적으로 존재하는 수증기의 존재는 초과산화 칼륨에 의한 이산화 탄소 제거 효율을 더욱 높인다. 리튬을 제외한 모든 안정 알칼리 금속은 분말 무수 수산화물을 오존과 저온 반응시켜 붉은색 오존화물(MO3)을 형성할 수 있다. 오존화물은 액체 암모니아를 사용하여 추출할 수 있다. 이들은 표준 조건에서 서서히 초과산화물과 산소로 분해되며, 물과 접촉하면 즉시 수산화물로 가수분해된다.:85 칼륨, 루비듐, 세슘은 또한 세스퀴산화물 M2O3를 형성하는데 이는 과산화 이초산화물, [(M+)4(O2−2)(O−2)2]로 더 잘 간주될 수 있다.:85
알칼리 금속 화합물
루비듐과 세슘은 공식적인 산화 상태가 +1 미만인 금속과 함께 다양한 아산화물을 형성할 수 있다.:85 루비듐은 공기 중 산화될 때 Rb6O와 Rb9O2 (구리색)를 형성할 수 있으며, 세슘은 오존화물 CsO3와 여러 가지 밝은 색깔의 아산화물을 형성한다. 예를 들어 Cs7O (청동색), Cs4O (적자색), Cs11O3 (자색), Cs3O (짙은 녹색), CsO, Cs3O2, 그리고 Cs7O2도 있다. 이 중 마지막은 진공 상태에서 가열하여 Cs2O를 생성할 수 있다.
알칼리 금속 화합물
알칼리 금속은 더 무거운 칼코젠(황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄)과도 유사하게 반응할 수 있으며, 모든 알칼리 금속 칼코젠화물은 알려져 있다 (프랑슘 제외). 과량의 칼코젠과 반응하면 유사하게 하위 칼코젠화물을 생성할 수 있으며, 이 칼코젠 이온은 해당 칼코젠 원자의 사슬을 포함한다. 예를 들어, 나트륨은 황과 반응하여 황화물 (Na2S) 및 Na2Sx (x는 2에서 6까지) 공식을 가진 다양한 다황화물을 형성할 수 있으며, 이는 S2−x 이온을 포함한다. Se2− 및 Te2− 이온의 염기성 때문에 알칼리 금속 셀레늄화물 및 텔루륨화물은 용액에서 알칼리성을 띠며, 셀레늄 및 텔루륨과 직접 반응하면 Se2−x 및 Te2−x 이온을 포함하는 폴리셀레늄화물 및 폴리텔루륨화물이 형성된다. 이들은 액체 암모니아 또는 공기가 없는 상태에서 직접 원소로부터 얻을 수 있으며, 무색의 수용성 화합물로 공기 중에서 빠르게 산화되어 셀레늄 또는 텔루륨으로 돌아간다.:766 알칼리 금속 폴로늄화물은 모두 Po2− 이온을 포함하는 이온성 화합물이다. 이들은 화학적으로 매우 안정하며 약 300–400°C에서 원소를 직접 반응시켜 생성할 수 있다.:766
알칼리 금속 화합물
알칼리 금속은 주기율표에서 가장 전기 양성적인 원소에 속하며, 따라서 주기율표에서 가장 전기 음성적인 원소인 할로젠 (플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘, 아스타틴)과 이온 결합을 형성하는 경향이 있는데 둘 화합물 반응을 알칼리 금속 할라이드라고 부른다. 이 반응은 매우 격렬하며 때로는 폭발을 일으킬 수도 있다.:76 20가지의 안정적인 알칼리 금속 할라이드가 모두 알려져 있다. 불안정한 할라이드는 아스타틴과 프랑슘의 극심한 불안정성과 희귀성 때문에 나트륨 아스타타이드 외에는 알려져 있지 않다. 이 20가지 중 가장 잘 알려진 것은 분명히 염화 나트륨, 즉 일반적인 소금이다. 모든 안정 알칼리 금속 할라이드는 M이 알칼리 금속이고 X가 할로젠인 MX 공식을 가진다. 이들은 모두 녹는점이 높은 흰색 이온성 결정 고체이다. 모든 알칼리 금속 할라이드는 물에 용해되지만, 플루오린화 리튬(LiF)은 매우 높은 격자에너지 때문에 물에 불용성이다. 플루오린화 리튬의 높은 격자 엔탈피는 Li+와 F− 이온의 작은 크기 때문에 그들 사이의 정전기적 상호작용이 강하기 때문이다. 플루오린화 마그네슘에서도 유사한 효과가 나타나며, 이는 리튬과 마그네슘 사이의 대각선 관계와 일치한다.:76
알칼리 금속 화합물
알칼리 금속은 수소와 유사하게 반응하여 이온성 알칼리 금속 수소화물을 형성하는데, 여기서 수소화물 음이온은 유사할로젠으로 작용한다. 이들은 종종 환원제로 사용되어 수소화물, 복합 금속 수소화물 또는 수소 가스를 생성한다.:83 다른 유사할로젠화물도 알려져 있는데, 특히 사이안화물이 있다. 이들은 사이안화 리튬을 제외하고는 해당 할라이드와 등구조를 이루며, 이는 사이안화 이온이 자유롭게 회전할 수 있음을 나타낸다.:322 Na3ClO, K3BrO (노란색), Na4Br2O, Na4I2O, K4Br2O와 같은 삼원 알칼리 금속 할라이드 산화물도 알려져 있다.:83 폴리할라이드는 다소 불안정하지만, 루비듐과 세슘의 폴리할라이드는 이들 매우 큰 양이온의 약한 편극력에 크게 안정화된다.:835
알칼리 금속 화합물
알칼리 금속 양이온은 보통 단순 루이스 염기와 배위 화합물을 형성하지 않는다. 이는 전하가 +1로 낮고 크기가 비교적 크기 때문인데, 그래서 Li+ 이온이 가장 많은 착물을 형성하고 더 무거운 알칼리 금속 이온은 점점 더 적게 형성한다 (약한 착물의 경우 예외가 발생하기도 한다).:90 특히 리튬은 매우 풍부한 배위 화학 특성을 가지며 1부터 12까지의 배위수를 보이지만, 팔면체 육배위가 선호되는 모드이다.:90–1 수용액에서 알칼리 금속 이온은 팔면체 육수화물 착물 [M(H2O)6]+로 존재하며, 작은 크기 때문에 사면체 사수화물 착물 [Li(H2O)4]+를 형성하는 리튬 이온만 예외이다. 알칼리 금속은 이온들이 극성 물 분자에 대한 정전기적 인력에 의해 끌리기 때문에 이러한 착물을 형성한다. 이 때문에 알칼리 금속 양이온을 포함하는 무수염은 종종 건조제로 사용된다. 알칼리 금속은 또한 정전기적 인력 때문에 크라운 에터 (예: Li+에 대한 12-크라운-4, Na+에 대한 15-크라운-5, K+에 대한 18-크라운-6, Rb+에 대한 21-크라운-7) 및 크립탠드와 쉽게 착물을 형성한다.
알칼리 금속 화합물
알칼리 금속은 액체 암모니아 또는 지방족 아민이나 헥사메틸포스포르아마이드와 같은 다른 공여성 용매에 서서히 용해되어 용매화된 금속 양이온 M+과 용매화 전자 e−의 암모니아 용액을 형성하며, 이들은 반응하여 수소 가스와 알칼리 금속 아미드(MNH2, M은 알칼리 금속을 나타냄)를 생성한다. 이는 1809년 험프리 데이비가 처음 관찰했고, 1864년 W. 웨엘이 재발견했다. 이 과정은 촉매에 의해 가속화될 수 있다. 유사한 용액은 무거운 이가 알칼리 토금속인 칼슘, 스트론튬, 바륨뿐만 아니라 이가 란타넘족인 유로퓸과 이터븀과의 반응으로 형성된다. 아미드 염은 불용성이 매우 높아 쉽게 용액에서 침전되어, 알칼리 금속의 강한 색을 띠는 암모니아 용액을 남긴다. 1907년 찰스 A. 크라우스는 이 색이 용매화 전자의 존재 때문이며, 이 전자들이 이 용액의 높은 전기 전도성에 기여한다고 밝혔다. 낮은 농도 (3 M 미만)에서는 용액이 짙은 파란색이며 수용액 염화 나트륨보다 10배의 전도성을 가진다. 높은 농도 (3 M 초과)에서는 용액이 구리색이며 수은과 같은 액체 금속의 전도성과 거의 같다. 알칼리 금속 아미드 염과 용매화 전자 외에도 이러한 암모니아 용액은 알칼리 금속 양이온 (M+), 중성 알칼리 금속 원자 (M), 이원자 알칼리 금속 분자 (M2) 및 알칼리 금속 음이온 (M−)도 포함한다. 이들은 불안정하며 결국 열역학적으로 더 안정한 알칼리 금속 아미드와 수소 가스가 된다. 용매화 전자는 강력한 환원제이며 종종 화학 합성에 사용된다.
알칼리 금속 화합물
가장 작은 알칼리 금속인 리튬은 가장 다양하고 안정적인 유기 금속 화합물을 형성하며, 이들은 공유 결합되어 있다. 유기리튬 시약은 전기가 통하지 않는 휘발성 고체 또는 저온에서 녹는 액체이며, R이 유기 그룹인 (RLi)x 구조를 가진 올리고머를 형성하는 경향이 있다. 리튬의 전기 양성적 특성으로 인해 결합의 대부분의 전하 밀도가 탄소 원자에 집중되어 효과적으로 탄소 음이온을 생성하므로, 유기리튬 화합물은 매우 강력한 염기이자 친핵체이다. 염기로 사용하기 위해 부틸리튬이 자주 사용되며 상업적으로도 이용 가능하다. 유기리튬 화합물의 예로는 메틸리튬 ((CH3Li)x)이 있는데, 이는 사량체 (x = 4, 사면체) 및 육량체 (x = 6, 팔면체) 형태로 존재한다. 유기리튬 화합물, 특히 n-부틸리튬은 유기 합성에서 유용한 시약이다. 이는 리튬과 마그네슘의 대각선 관계를 고려할 때 예상할 수 있는 일이며, 마그네슘은 그리냐르 반응에서 중요한 역할을 한다.:102 예를 들어, 알킬리튬과 아릴리튬은 금속 카르보닐과 반응하여 알데하이드와 케톤을 합성하는 데 사용될 수 있다. 니켈 테트라카르보닐과의 반응은 불안정한 아실 니켈 카르보닐 착물을 통해 진행되며, 이어서 친전자성 치환 반응을 거쳐 원하는 알데하이드 (H+를 친전자체로 사용) 또는 케톤 (알킬 할라이드를 사용) 생성물을 생성한다.:105
알칼리 금속 화합물
알킬리튬과 아릴리튬은 N,N-다이치환 아미드와 반응하여 알데하이드와 케톤을 생성할 수도 있고, 일산화 탄소와 반응하여 대칭 케톤을 생성할 수도 있다. 이들은 열적으로 분해되어 β-수소를 제거하여 알켄과 수소화 리튬을 생성한다. 또 다른 경로는 에터와 강염기로 작용하는 알킬 및 아릴리튬의 반응이다.:105 비극성 용매에서 아릴리튬은 실제로 탄소 음이온으로 작용하여 이산화 탄소를 방향족 카복실산(ArCO2H)으로, 아릴 케톤을 3차 카비놀(Ar'2C(Ar)OH)로 전환시킨다. 마지막으로, 금속-할로젠 교환을 통해 다른 유기 금속 화합물을 합성하는 데 사용될 수 있다.:106
알칼리 금속 화합물
유기리튬 화합물과 달리, 더 무거운 알칼리 금속의 유기 금속 화합물은 주로 이온성이다. 유기나트륨 화합물의 화학적 응용은 부분적으로 상업적으로 이용 가능하고 더 편리한 반응성을 보이는 유기리튬 시약과의 경쟁으로 인해 제한적이다. 상업적으로 중요한 주요 유기나트륨 화합물은 사이클로펜타다이에닐 나트륨이다. 테트라페닐보레이트 나트륨도 고체 상태에서 나트륨이 아릴 그룹에 결합되어 있으므로 유기나트륨 화합물로 분류될 수 있다. 더 높은 알칼리 금속의 유기 금속 화합물은 유기나트륨 화합물보다 훨씬 더 반응성이 높으며 유용성이 제한적이다. 주목할 만한 시약은 슈로저 염기(Schlosser's base)로, n-부틸리튬과 tert-부톡사이드 칼륨의 혼합물이다. 이 시약은 프로펜과 반응하여 알릴칼륨(KCH2CHCH2) 화합물을 형성한다. cis-2-부텐과 trans-2-부텐은 알칼리 금속과 접촉할 때 평형을 이룬다. 리튬과 나트륨에서는 이성질화가 빠르지만, 더 무거운 알칼리 금속에서는 느리다. 더 무거운 알칼리 금속은 또한 입체 장애가 있는 형태를 선호한다. 유기칼륨 화합물의 몇몇 결정 구조가 보고되었으며, 이는 나트륨 화합물과 마찬가지로 고분자임을 입증한다. 유기나트륨, 유기칼륨, 유기루비듐, 유기세슘 화합물은 모두 대부분 이온성이며 비극성 용매에 불용성(또는 거의 불용성)이다.
나트륨과 칼륨의 알킬 및 아릴 유도체는 공기와 반응하는 경향이 있다. 이들은 에터의 분열을 일으켜 알콕사이드를 생성한다. 알킬리튬 화합물과 달리 알킬나트륨과 알킬칼륨은 할로젠화 알킬과 금속을 반응시켜 만들 수 없는데, 이는 부르츠 반응이 발생하기 때문이다.:265
RM + R'X → R–R' + MX
따라서 이들은 비활성 탄화수소 용매에서 알킬수은 화합물을 나트륨 또는 칼륨 금속과 반응시켜야 한다. 메틸나트륨은 메틸리튬처럼 사량체를 형성하지만, 메틸칼륨은 더 이온성이며 니켈 비소화물 구조를 가지며 불연속적인 메틸 음이온과 칼륨 양이온으로 이루어져 있다.:265
알칼리 금속과 그 수소화물은 산성 탄화수소, 예를 들어 사이클로펜타다이엔 및 말단 알카인과 반응하여 염을 생성한다. 액체 암모니아, 에터 또는 탄화수소 용매가 사용되며, 가장 일반적인 것은 테트라하이드로푸란이다. 이 화합물 중 가장 중요한 것은 사이클로펜타다이에닐 나트륨(NaC5H5)으로, 많은 전이 금속 사이클로펜타다이에닐 유도체의 중요한 전구체이다.:265 유사하게, 알칼리 금속은 테트라하이드로푸란에서 사이클로옥타테트라엔과 반응하여 알칼리 금속 사이클로옥타테트라엔화물을 생성한다. 예를 들어, 다이포타슘 사이클로옥타테트라엔화물(K2C8H8)은 우라노센과 같은 많은 금속 사이클로옥타테트라에닐 유도체의 중요한 전구체이다.:266 크고 매우 약하게 편극하는 알칼리 금속 양이온은 짙은 녹색의 나프탈렌 나트륨(Na+[C10H8•]−)과 같이 크고 방향족이며 편극성이 높은 라디칼 음이온을 안정화할 수 있으며, 이는 강력한 환원제이다.:266
알칼리 금속 알칼리 금속의 대표적인 반응
산소와 반응할 때 알칼리 금속은 산화물, 과산화물, 초과산화물, 아산화물을 형성한다. 그러나 처음 세 가지가 더 흔하다. 아래 표는 산소와 반응하여 형성되는 화합물의 유형을 보여준다. 괄호 안의 화합물은 연소의 부차적인 생성물을 나타낸다.
알칼리 금속 과산화물은 물에 불안정한 이온성 화합물이다. 과산화물 음이온은 양이온과 약하게 결합되어 있으며, 가수분해되어 더 강한 공유 결합을 형성한다.
Na2O2 + 2H2O → 2NaOH + H2O2
다른 산소 화합물도 물에 불안정하다.
2KO2 + 2H2O → 2KOH + H2O2 + O2
Li2O + H2O → 2LiOH
황과 반응하면 황화물과 다황화물을 형성한다.
2Na + 1/8S8 → Na2S + 1/8S8 → Na2S2...Na2S7
알칼리 금속 황화물은 본질적으로 약산과 강염기의 염이므로 염기성 용액을 형성한다.
S2- + H2O → HS− + HO−
알칼리 금속 알칼리 금속의 대표적인 반응
HS− + H2O → H2S + HO−
리튬은 상온에서 질소와 직접 결합하는 유일한 금속이다.
3Li + 1/2N2 → Li3N
Li3N은 물과 반응하여 암모니아를 방출할 수 있다.
Li3N + 3H2O → 3LiOH + NH3
수소와 반응하면 염을 형성하는 수소화물을 생성하며, 이는 물에서 가수분해된다.
리튬은 탄소와 직접 반응하여 다이리튬 아세틸라이드를 생성하는 유일한 금속이다. Na와 K는 아세틸렌과 반응하여 아세틸라이드를 생성할 수 있다.
물과 반응하면 수산화물 이온과 수소 가스를 생성한다. 이 반응은 격렬하고 매우 발열성이며, 생성된 수소는 공기 중에서 발화하거나 Rb 및 Cs의 경우 폭발할 수도 있다.
Na + H2O → NaOH + 1/2H2
알칼리 금속은 매우 좋은 환원제이다. 이들은 전기 양성도가 낮은 금속 양이온을 환원시킬 수 있다. 타이타늄은 산업적으로 400°C에서 Na로 사염화 티타늄을 환원시켜 생산된다 (판 아르켈-드 보어 공정).
알칼리 금속 알칼리 금속의 대표적인 반응
TiCl4 + 4Na → 4NaCl + Ti
알칼리 금속은 할로젠 유도체와 반응하여 부르츠 반응을 통해 탄화수소를 생성한다.
2CH3-Cl + 2Na → H3C-CH3 + 2NaCl
알칼리 금속은 액체 암모니아 또는 지방족 아민이나 헥사메틸포스포르아마이드와 같은 다른 전자 공여성 용매에 용해되어 파란색 용액을 생성한다. 이러한 용액에는 자유 전자가 포함되어 있다고 여겨진다.
Na + xNH3 → Na+ + e(NH3)x−
용매화 전자의 존재로 인해 이러한 용액은 유기 합성에서 사용되는 매우 강력한 환원제이다.
반응 1)은 버치 환원으로 알려져 있다.
이 용액으로 수행할 수 있는 다른 환원 반응은 다음과 같다.
S8 + 2e− → S82-
Fe(CO)5 + 2e− → Fe(CO)42- + CO
알칼리 금속 확장
프랑슘은 발견된 가장 무거운 알칼리 금속이지만 가상의 더 무거운 알칼리 금속의 물리적, 화학적 특성을 예측하는 이론적 연구가 진행되어 왔다. 첫 번째 8주기 원소인 미발견 원소 우누넨늄(원소 119)은 프랑슘 다음의 알칼리 금속이 될 것으로 예측되며 더 가벼운 동족체와 매우 유사하게 행동할 것으로 예상된다. 그러나 일부 특성에서는 더 가벼운 알칼리 금속과 다를 것으로도 예측된다.:1729–1730 그 화학적 특성은 세슘이나 프랑슘이 아닌 칼륨 또는 루비듐:1729–1730에 더 가까울 것으로 예측된다. 이는 상대론적 효과를 무시한 주기적 성질이 우누넨늄이 세슘과 프랑슘보다 훨씬 더 반응성이 높을 것이라고 예측하는 것을 고려할 때 이례적이다. 이러한 감소된 반응성은 우누넨늄의 원자가 전자의 상대론적 안정화로 인해 우누넨늄의 첫 번째 이온화 에너지가 증가하고 금속 반지름과 이온 반지름이 감소하기 때문이다. 이 효과는 프랑슘에서도 이미 관찰된다.:1729–1730 이는 우누넨늄이 화학적으로 알칼리 금속처럼 행동할 것이라는 가정에 기반하는데, 이는 가능성이 높지만 상대론적 효과 때문에 그렇지 않을 수도 있다. 8s 오비탈의 상대론적 안정화는 또한 우누넨늄의 전자 친화도를 세슘과 프랑슘보다 훨씬 높게 증가시킨다. 실제로 우누넨늄은 자신보다 가벼운 모든 알칼리 금속보다 더 높은 전자 친화도를 가질 것으로 예상된다. 상대론적 효과는 또한 우누넨늄의 편극률에 매우 큰 감소를 초래한다.:1729–1730 반면, 우누넨늄은 족 아래로 내려갈수록 녹는점이 감소하는 경향을 이어갈 것으로 예측되며, 녹는점은 0°C에서 30°C 사이일 것으로 예상된다.:1724
알칼리 금속 확장
우누넨늄의 원자가 전자의 안정화와 그에 따른 8s 오비탈의 수축은 원자 반지름을 240 pm로 낮춘다.:1729–1730 이는 루비듐(247 pm)의 원자 반지름과 매우 가깝다. 따라서 우누넨늄의 +1 산화수에서의 화학적 특성은 프랑슘의 화학적 특성보다 루비듐의 화학적 특성과 더 유사해야 한다. 반면, Uue+ 이온의 이온 반지름은 Rb+보다 클 것으로 예측되는데, 이는 7p 오비탈이 불안정해지고 따라서 더 낮은 껍질의 p-오비탈보다 크기 때문이다. 우누넨늄은 또한 +3:1729–1730 및 +5 산화수를 보일 수 있는데, 이는 다른 알칼리 금속에서는 볼 수 없는 것이다.:28 이는 7p3/2 스피너의 불안정화와 팽창 때문인데, 이로 인해 바깥쪽 전자의 이온화 에너지가 예상보다 낮아진다.:28:1729–1730 실제로 많은 우누넨늄 화합물은 결합에 7p3/2 전자가 관여하기 때문에 큰 공유성을 가질 것으로 예상된다.
알칼리 금속 확장
우누넨늄 이후의 알칼리 금속의 특성을 예측하는 연구는 아직 많이 이루어지지 않았다. 비록 주기율표의 단순한 외삽법(쌓음 원리에 따라)은 우누넨늄 아래에 169번 원소, 언헥세늄을 놓겠지만, 디락-포크 계산은 우누넨늄 다음으로 알칼리 금속과 유사한 특성을 가진 원소가 165번 원소, 언헥스펜튬일 수 있다고 예측한다. 이 원소는 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p1/22 9s1의 전자 배열을 가질 것으로 예측된다.:1729–1730 이 원소는 알칼리 금속과 11족 원소의 중간적인 특성을 가질 것이며, 물리적 및 원자적 특성은 전자에 더 가깝지만 화학적 특성은 후자에 더 가까울 수 있다. 추가 계산에 따르면 언헥스펜튬은 세슘 이후의 이온화 에너지 증가 경향을 이어가며, 나트륨과 비슷한 이온화 에너지를 가질 것으로 예상되며, 세슘 이후의 원자 반지름 감소 경향도 이어가 칼륨과 비슷한 원자 반지름을 가질 것으로 예측된다.:1729–1730 그러나 언헥스펜튬의 7d 전자는 9s 전자와 함께 화학 반응에 참여할 수 있으며, 이는 +1을 초과하는 산화수를 허용하여 언헥스펜튬의 전이 금속적 행동을 가능하게 할 수 있다.:1732–1733 알칼리 금속과 알칼리 토금속이 모두 s-구역 원소이므로, 우누넨늄과 언헥스펜튬에 대한 이러한 경향 및 특성 예측은 해당 알칼리 토금속인 운비닐륨(Ubn)과 언헥스헥슘(Uhh)에도 매우 유사하게 적용된다.:1729–1733 173번 원소인 언셉트트륨은 우누넨늄의 더 좋은 더 무거운 동족체일 수 있다. [Usb] 6g1의 예측 전자 배열을 가지며, 닫힌 p-껍질 위에 에너지가 쉽게 제거되는 하나의 전자를 갖는 알칼리 금속과 유사한 상황으로 돌아가며, 세슘보다 훨씬 더 반응성이 높을 것으로 예상된다.
알칼리 금속 확장
2019년 현재 언셉트트륨 이후의 알칼리 금속의 예상 특성은 아직 탐구되지 않았으며, 존재 여부도 불확실하다. 주기율표의 8주기 이상에서는 상대론적 및 껍질 구조 효과가 너무 강해져 더 가벼운 동족체로부터의 외삽법이 완전히 부정확해진다. 또한, 상대론적 및 껍질 구조 효과(s-오비탈을 안정화하고 더 높은 껍질의 d, f, g-오비탈을 불안정화 및 팽창시킴)는 상반되는 효과를 가져와, 원자 번호가 매우 높은 원소의 특성에 대한 상대론적 및 비상대론적 계산 사이에 훨씬 더 큰 차이를 초래한다.:1732–1733 우누넨늄, 언헥스펜튬, 언셉트트륨의 화학적 특성에 대한 관심은 이들이 안정성의 섬 예상 위치(원소 122(306Ubb) 및 164(482Uhq) 중심)에 가깝게 위치하기 때문이다.
알칼리 금속 유사 알칼리 금속
다른 많은 물은 단일 양이온을 형성하는 경향에서 알칼리 금속과 유사하다. 유사할로젠과 유사하게, 이들은 때때로 "유사 알칼리 금속"이라고 불린다. 이들 물질에는 일부 원소와 더 많은 다원자 이온이 포함된다. 다원자 이온은 특히 큰 크기와 약한 편극력에서 알칼리 금속과 유사하다.
중성 원자당 전자가 하나인 원소 수소는 일반적으로 전자 배열 때문에 주기율표 1족의 맨 위에 배치된다. 그러나 수소는 일반적으로 알칼리 금속으로 간주되지 않는다. 매우 높은 압력에서만 존재하는 금속성 수소는 화학적 특성이 아닌 전기적 및 자기적 특성으로 알려져 있다. 일반적인 조건에서 순수한 수소는 분자당 두 개의 원자로 구성된 이원자 기체(H2)로 존재한다. 그러나 알칼리 금속은 고온에서 기체 상태일 때만 다이리튬(Li2)과 같은 이원자 분자를 형성한다.
알칼리 금속 유사 알칼리 금속
수소는 알칼리 금속처럼 원자가 전자를 하나 가지고 할로젠과 쉽게 반응하지만, 알칼리 금속 양이온에 비해 양성자 H+의 작은 크기 때문에 유사성은 대부분 거기서 끝난다. 수소를 리튬 위에 배치하는 것은 주로 전자 배열 때문이다. 때로는 플루오린 위에 배치되기도 하는데, 이는 유사한 화학적 특성 때문이지만, 그 유사성도 역시 절대적이지는 않다.
알칼리 금속 유사 알칼리 금속
수소의 첫 번째 이온화 에너지 (1312.0 킬로줄/몰)는 알칼리 금속보다 훨씬 높다. 수소 원자의 가장 바깥쪽 껍질을 채우는 데 필요한 전자가 단 하나이므로, 수소는 종종 할로젠처럼 행동하여 음전하를 띤 수소화물 이온을 형성하며, 이 점 때문에 가끔 할로젠으로 간주되기도 한다. (알칼리 금속도 알칼리화물이라는 음이온을 형성할 수 있지만, 이는 불안정하여 실험실의 흥미거리 정도에 불과하다.) 이러한 배치에 대한 반론은 수소로부터 수소화물을 형성하는 것이 발열 반응인 할로젠으로부터 할라이드를 형성하는 것과 달리 흡열 반응이라는 것이다. 또한 H− 음이온의 반지름은 할로젠족 아래로 내려갈수록 크기가 증가하는 경향과 일치하지 않는다. 실제로 H−는 하나의 양성자가 두 전자를 쉽게 제어할 수 없기 때문에 매우 확산되어 있다.:15–6 한동안 액체 수소가 금속성 특성을 보일 것으로 예상되었지만, 이것이 사실이 아님이 밝혀진 반면 목성과 토성의 핵에서 발견되는 것과 같은 극히 높은 압력 하에서는 수소가 금속성으로 변하여 알칼리 금속처럼 행동한다. 이 상에서 수소는 금속성 수소로 알려져 있다. 3000 K에서 액체 금속성 수소의 비저항은 2000 K에서 액체 루비듐 및 세슘이 비금속-금속 전이를 겪을 때의 비저항과 거의 같다.
알칼리 금속 유사 알칼리 금속
수소의 1s1 전자 배열은 알칼리 금속 (ns1)과 유사하지만, 1p 하위 껍질이 없기 때문에 독특하다. 따라서 전자를 잃어 하이드론 H+를 형성하거나, 전자를 얻어 수소화물 이온 H−를 형성할 수 있다.:43 전자의 경우 겉보기에는 알칼리 금속과 유사하며, 후자의 경우 할로젠과 유사하지만, 1p 하위 껍질의 부족으로 인한 차이가 중요하여 어느 그룹도 수소의 특성에 잘 맞지 않는다.:43 14족도 이온화 에너지 및 전자 친화도와 같은 열역학적 특성 측면에서 잘 맞지만, 수소는 사가성을 가질 수 없다. 따라서 세 가지 배치 모두 완전히 만족스럽지는 않지만, 전자 배열과 하이드론이 모든 단원자 수소 종 중에서 단연 가장 중요하며 산-염기 화학의 기초라는 사실 때문에 1족이 가장 일반적인 배치이다 (선택해야 한다면). 수소의 특이한 전자 배열과 작은 크기에서 비롯된 수소의 비정통적인 특성의 예로, 수소 이온은 매우 작아서 (반지름 약 150 펨토미터로, 대부분의 다른 원자와 이온의 50–220 pm 크기와 비교) 다른 원자나 분자와의 결합 외에는 응축된 시스템에서는 존재하지 않는다. 실제로 화학 물질 간의 양성자 전달은 산-염기 화학의 기초이다.:43 또한 수소만이 수소 결합을 형성할 수 있는데, 이는 전하 이동, 정전기, 전자 상관 기여 현상의 효과이다. 유사한 리튬 결합도 알려져 있지만, 이들은 주로 정전기적이다. 그럼에도 불구하고 수소는 일부 분자 결정에서 알칼리 금속과 동일한 구조적 역할을 할 수 있으며, 가장 가벼운 알칼리 금속(특히 리튬)과 밀접한 관계를 가진다.
알칼리 금속 유사 알칼리 금속
암모늄 이온 (NH+4)은 무거운 알칼리 금속, 특히 칼륨과 루비듐 사이의 알칼리 금속 중간체로서 매우 유사한 특성을 가진다. 따라서 종종 가까운 친척으로 간주된다. 예를 들어, 대부분의 알칼리 금속 염은 물에 용해되며 암모늄염도 이러한 특성을 공유한다. 암모늄은 매우 높은 압력(100 기가파스칼 근처에서 비금속에서 금속으로의 전이가 일어나는 일반적인 압력보다는 낮지만)에서 금속(비편재화된 전자 바다 속의 NH+4 이온)으로 안정적으로 행동할 것으로 예상되며, 거대 얼음 행성인 천왕성과 해왕성 내부에 존재하여 내부 자기장에 상당한 영향을 미 미칠 수 있다. 암모니아와 이수소 분자의 혼합물에서 금속성 암모늄으로의 전이는 25 기가파스칼 미만의 압력에서 일어날 수 있다고 추정된다. 표준 조건에서 암모늄은 수은과 금속성 아말감을 형성할 수 있다.