فلزهای قلیایی

فلزات قلیایی به عناصر گروه اول جدول تناوبی گفته می‌شود که شامل فلزهای لیتیم، سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم و فرانسیم می‌باشد. هیدروژن گرچه در گروه اول قرار می‌گیرد ولی دارای خصوصیات متفاوتی نسبت به دیگر اعضای این گروه می‌باشد، لذا آن را در دسته فلزات قلیایی قرار نمی‌دهند. درگذشته انسان به این نکته پی برده که اگر خاکستر باقی‌مانده از سوختن چوب را با آب مخلوط کند، محلولی به دست می‌آید که می‌تواند چربی‌ها را در خود حل کند. آنها این محلول را قلیا نامیدند. امروزه می‌دانیم که در خاکستر چوب برخی از ترکیب‌های عنصرهای گروه اول جدول تناوبی وجود دارد ازاین رو عنصرهای این گروه را فلزهای قلیایی نامیدند.
خواص
این عناصر بشدت با آب و هوا واکنش نشان می‌دهند و به همین علت آنها را در نفت یا پارافین نگهداری می‌کنند. این عناصر بترتیب تمایل واکنش پذیری -کمبود الکترون در لایه آخر- واکنش پذیری بیشتری را دارا هستند وبه همین ترتیب نرم‌تر می‌شوند، و به همین ترتیب واکنش پذیریشان هم بیشتر می‌شوند.
نگاه کلی
عناصر گروه اول جدول تناوبی که به فلزات قلیایی معروفند، در لایه ظرفیت الکترونی دارای آرایش هستند که n، شماره دوره آنها است. آخرین عنصر به نام فرانسیم، رادیواکتیو است که در اینجا مورد بحث قرار نمی‌گیرد. این عناصر، فلزات نقره‌فام رنگی هستند. آنها بسیار نرم بوده و به آسانی با چاقو بریده می‌شوند. سطح درخشان آنها در معرض هوا به علت اکسیداسیون کدر می‌شود.
این عناصر بشدت واکنش پذیر هستند. واکنش پذیری آنها از بالا به پایین گروه یعنی از Li به Cs افزایش می‌یابد و از این لحاظ شبیه عناصر سایر گروه‌ها هستند. این فلزها آن چنان نرم هستند که با چاقو بریده می‌شوند و دارای سطح براقی هستند.
منابع فلزات قلیایی
این فلزات به دلیل واکنش‌پذیری زیاد بطور آزاد در طبیعت یافت نمی‌شوند و معمولا بصورت ترکیب با سایر عناصر هستند. منبع اصلی سدیم، هالیت یا NaCl است که بصورت محلول در آب دریا یا بصورت رسوب در بستر دریا یافت می‌شود. پتاسیم بصورت فراوان در اکثر معادن بصورت کانی سیلویت (KCl) یافت می‌شود و همچنین از آب دریا هم استخراج می‌گردد.
فلزات قلیایی بسیار واکنش‌پذیر هستند و آنها را نمی‌توان با جانشین کردن سایر فلزات بصورت آزاد تهیه کرد. فلزات قلیایی بصورت فلز آزاد را می‌توان از الکترولیز نمکهای مذاب آنها تهیه کرد.
خواص فیزیکی
فلزات قلیایی از چند جهت با بقیه فلزات تفاوت دارند. آنها نرم بوده و دارای نقطه ذوب و نقطه جوش پایین هستند. چگالی پایینی دارند، بطوریکه چگالی K و Na و Li از چگالی آب پایین‌تر است. آنتالپی استاندارد ذوب و تبخیر کمتری دارند. به علت داشتن فقط یک الکترون در لایه ظرفیت معمولا پیوندهای فلزی ضعیفی ایجاد می‌کنند. این فلزات وقتی در معرض شعله قرار می‌گیرند، رنگ آن را تغییر می‌دهند. وقتی عنصری در مقابل شعله قرار می‌گیرد، حرارت شعله انرژی کافی برای برانگیختن الکترون لایه ظرفیت را به لایه‌های بالاتر فراهم می‌کند.
الکترون در بازگشت به حالت پایه انرژی منتشر می‌کند و این انرژی دارای طول موج منطقه مرئی است که باعث می‌شود رنگ ایجاد شده در شعله دیده شود. شعاع یونی در فلزات قلیایی خاکی در مقایسه با شعاع اتمی آنها خیلی کوچک‌تر است. چون اتم یک الکترون در لایه S خود دارد که عدد کوانتومی آن با عدد کوانتومی لایه داخلی متفاوت است؛ بنابراین این لایه نسبتا دور از هسته‌است.
وقتی اتم این الکترون را از دست داده و به یون تبدیل می‌شود، الکترونهای باقی‌مانده در تراز نزدیک نسبت به هسته قرار دارند. بعلاوه افزایش بار موثر هسته آنها را بیشتر به‌طرف هسته جذب می‌کند؛ بنابراین اندازه یون کاهش می‌یابد.
خواص شیمیایی
فلزات قلیایی عامل کاهنده قوی هستند. پتانسیل الکترود منفی آنها نشانگر میل شدید آنها برای از دست دادن الکترون در تبدیل به کاتیون در محلول است. آنها می‌توانند اکسیژن، کلر، آمونیاک و هیدروژن را احیا کنند. در اثر واکنش با اکسیژن هوا اکسید شده و تیره می‌شوند؛ بنابراین در زیر نفت نگهداری می‌شوند. بعلت واکنش با آب و تولید هیدروژن و هیدروکسید قلیایی نمی‌توان آنها را زیر آب نگهداری کرد.
عدد اتمی
عنصر
تعداد الکترون/پوسته
آرایش الکترونی
۳
لیتیم
۲, ۱
He 2s 1
۱۱
سدیم
۲, ۸, ۱
Ne 3s 1
۱۹
پتاسیم
۲, ۸, ۸, ۱
Ar 4s 1
۳۷
روبیدیم
۲, ۸, ۱۸, ۸, ۱
Kr 5s 1
۵۵
سزیم
۲, ۸, ۱۸, ۱۸, ۸, ۱
Xe 6s 1
۸۷
فرانسیم
۲, ۸, ۱۸, ۳۲, ۱۸, ۸, ۱
Rn 7s 1
۱۱۹
آن ان نیوم
2, 8, 18, 32, 32, 18, 8, 1 (predicted)
Og 8s 1 (predicted)
واکنش با آب
از بالا به پایین، به شدت واکنش با آب افزوده می‌شود. لیتیم به آرامی با آب واکنش داده و حبابهای هیدروژن آزاد می‌کند. سدیم بشدت و همراه با مشتعل شدن با آب واکنش نشان داده و با شعله نارنجی می‌سوزد. پتاسیم در اثر برخورد با آب به شدت مشتعل شده و با شعله بنفش می‌سوزد. سزیم در آب ته‌نشین شده و به سرعت تولید هیدروژن می‌کند. آزاد کردن هیدروژن همراه با ایجاد امواج ضربه‌ای شدید است که می‌تواند باعث شکستن محفظه شیشه‌ای شود.
Na در آمونیاک حل شده و ایجاد محلول آبی تیره می‌کند که به‌عنوان عامل کاهنده در واکنشها استفاده می‌شود. در غلظتهای بالا رنگ محلول برنزی شده و جریان الکتریکی را همانند فلز هدایت می‌کند.
چند مورد غیرعادی در شیمی Li دیده می‌شود. کوچک بودن اندازه کاتیون Li در نشان دادن خاصیت کووالانسی در برخی ترکیبات و ایجاد پیوند دیاگونالی با منیزیم از آن جمله‌است.
اکسیدها
فلزات قلیایی در اثر واکنش با اکسیژن هوا ترکیب جامد یونی به فرمول تولید می‌کنند. هر چند که Na غیر از این، ترکیب پروکسید به‌عنوان فراورده عمده و پتاسیم هم سوپر اکسید را بطور عمده تولید می‌کند.
هیدروکسیدها
هیدروکسید فلزات قلیایی، جامدات یونی به فرم کریستالی در رنگ سفید و فرمول MOH است. قابل حل در آب هستند و همه بجز LiOH آبدار می‌شوند. محلول آبی آنها باز قوی است. اسیدها را خنثی کرده و نمک تولید می‌کنند.
هالیدها
هالیدهای این فلزات، همه جامد یونی به فرم کریستالی و به رنگ سفید بوده و قابل حل در آب هستند، جز LiF که بعلت داشتن انرژی شبکه بالا که ناشی از جاذبه الکتروستاتیکی بین یون کوچک +Li و -F است.
حالت اکسایش
این فلزات حالت اکسایش ۰ و ۱+ دارند. تمام ترکیبات شناخته شده آنها بر پایه +M است. اولین انرژی یونش آنها پایین است، زیرا الکترون آخرین لایه به خوبی الکترونهای لایه داخلی توسط جاذبه هسته محافظت نمی‌شود، بنابراین آسان‌تر برداشته می‌شود. انرژی دومین یونش بالا است، زیرا الکترون بعدی از لایه کامل برداشته می‌شود. همچنین به‌وسیله هسته، بخوبی جذب می‌شود.
انرژی یونیزاسیون از بالا به پایین با افزایش عدد اتمی و افزایش تعداد لایه‌ها بعلت دور شدن الکترون ظرفیت از هسته کاهش می‌یابد.
یادداشت