알칼리 금속
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알칼리 금속의 물리적 및 화학적 성질은 ns1 원자가 전자 배치를 하고 있어 약한 금속 결합을 가진 것으로 쉽게 설명될 수 있다. 모든 알칼리 금속은 부드럽고 밀도가 낮은 데다 녹는점과 끓는점이 낮으며 승화열, 기화열, 해리열도 낮다. 체심 입방 격자의 결정 구조를 가지며, 바깥의 s 전자가 매우 쉽게 들뜨기 때문에 독특한 불꽃색을 가진다. ns1 전자 배열 때문에 원자 반지름과 이온 반지름이 매우 크며, 높은 열전도도와 전기 전도도를 가진다. 화학적 성질은 최외곽 s-궤도에 있는 유일한 원자가 전자를 잃고 +1 산화 상태를 가지는 것이 지배적인데 전자를 잃어 이온화되는 것이 쉽고, 두 번째 이온화 에너지는 매우 높기 때문이다. 대부분의 화학 작용은 처음 다섯 원소에서 대부분 관찰된다. 프랑슘의 화학적 성질은 높은 방사성 때문에 잘 확립되어 있지 않다. 프랑슘에 대해 알려진 것이 거의 없지만, 예상대로 세슘과 가깝게 행동한다는 것을 보여준다. 프랑슘의 물리적 성질은 대량으로 관찰한 적이 없기 때문에 더 피상적이다. 문헌에서 찾을 수 있는 데이터는 거의 대부분 추측성 외삽이다.
| 이름 | 리튬 | 나트륨 | 칼륨 | 루비듐 | 세슘 | 프랑슘 |
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| 원자 번호 | 3 | 11 | 19 | 37 | 55 | 87 |
| 표준 원자량 (u) | 6.94(1) | 22.98976928(2) | 39.0983(1) | 85.4678(3) | 132.9054519(2) | [223] |
| 전자 배치 | [He] 2s1 | [Ne] 3s1 | [Ar] 4s1 | [Kr] 5s1 | [Xe] 6s1 | [Rn] 7s1 |
| 녹는점 (°C) | 180.54 | 97.72 | 63.38 | 39.31 | 28.44 | ? |
| 끓는점 (°C) | 1342 | 883 | 759 | 688 | 671 | ? |
| 밀도 (g·cm−3) | 0.534 | 0.968 | 0.89 | 1.532 | 1.93 | ? |
| 융해열 (kJ·mol−1) | 3.00 | 2.60 | 2.321 | 2.19 | 2.09 | ? |
| 기화열 (kJ·mol−1) | 136 | 97.42 | 79.1 | 69 | 66.1 | ? |
| 단원자 기체 생성열 (kJ·mol−1) | 162 | 108 | 89.6 | 82.0 | 78.2 | ? |
| 25 °C에서의 전기 저항 (nΩ·cm) | 94.7 | 48.8 | 73.9 | 131 | 208 | ? |
| 원자 반지름 (pm) | 152 | 186 | 227 | 248 | 265 | ? |
| M+ 양이온의 이온 반지름 (pm) | 76 | 102 | 138 | 152 | 167 | ? |
| 첫번째 이온화 에너지 (kJ·mol−1) | 520.2 | 495.8 | 418.8 | 403.0 | 375.7 | 392.8 |
| 전자 친화도 (kJ·mol−1) | 59.62 | 52.87 | 48.38 | 46.89 | 45.51 | ? |
| M2 해리 엔탈피 (kJ·mol−1) | 106.5 | 73.6 | 57.3 | 45.6 | 44.77 | ? |
| 폴링 전기 음성도 | 0.98 | 0.93 | 0.82 | 0.82 | 0.79 | ? |
| 앨런 전기 음성도 | 0.91 | 0.87 | 0.73 | 0.71 | 0.66 | 0.67 |
| 표준 전극 전위 (E°(M+→M0); V) | −3.04 | −2.71 | −2.93 | −2.98 | −3.03 | ? |
| 불꽃색 주 방출/흡수 파장 (nm) | 진홍색 670.8 | 노란색 589.2 | 보라색 766.5 | 자주색 780.0 | 파랑색 455.5 | ? |
알칼리 금속은 다른 족 원소끼리에 비해 서로 더 비슷하다. 실제로 유사성이 너무 커서 이온 반지름이 비슷한 칼륨, 루비듐, 세슘을 분리하기가 상당히 어렵다. 리튬과 나트륨은 조금 더 차이가 난다. 예를 들어, 표 아래로 이동할 때, 알려진 모든 알칼리 금속은 원자 반지름이 증가하고, 전기 음성도가 감소하고, 반응성이 증가하며, 녹는점과 끓는점이 낮아지고, 융해열과 기화열도 감소한다.:75 칼륨이 나트륨보다 밀도가 낮다는 점을 제외하면 일반적으로 표 아래로 이동하면 밀도가 높아진다. 매끄러운 경향성을 보이지 않는 알칼리 금속의 아주 적은 특성 중 하나는 환원 전위이다: 리튬의 값은 변칙적이고 다른 것들보다 더 음성을 띤다.:75 이는 Li+ 이온이 기체 단계에서 매우 높은 수화 에너지를 가지고 있기 때문이다. 리튬 이온이 물의 구조를 현저하게 교란하여 엔트로피에 더 큰 변화를 일으키지만, 이 높은 수화 에너지는 기체 상태에서 이온화하는 어려움에도 불구하고 환원 전위는 가장 전기 양성인 알칼리 금속임을 나타내기에 충분하다.:75
안정된 알칼리 금속은 세슘을 제외하면 모두 은색 금속이다. 세슘은 옅은 황금색 색조를 가지며, 색이 뚜렷한 세 금속 중 하나이다(다른 두 금속은 구리와 금이다).:74 또한 무거운 알칼리 토금속인 칼슘, 스트론튬, 바륨은 물론이고 란타넘족의 유로퓸과 이터븀도 옅은 노란색을 띠지만 세슘에 비해 색이 덜 두드러진다.:74 알칼리 금속의 광채는 산화로 인해 공기 중에서 빠르게 변색된다. 알칼리 금속은 체심 입방 격자 결정 구조로 결정화되며,:73 바깥 s 전자가 쉽게 들뜨기 때문에, 독특한 불꽃색을 가지고 있다. 이 불꽃색은 일반적으로 이온을 가진 모든 염이 용해되기 때문에 이들을 식별하는 가장 일반적인 방법이다.:75
모든 알칼리 금속은 반응성이 매우 높으며, 자연에서 원소 형태로는 결코 발견되지 않는다. 이 때문에 보통 광물유나 등유에 저장된다. 할로젠과 공격적으로 반응하여 알칼리 금속 할로젠화물을 형성하는데, 흰색의 이온 결정 화합물로 플루오린화 리튬(LiF)을 제외하고는 모두 물에 녹는다. 알칼리 금속은 또한 물과 반응하여 강한 알칼리 수산화물을 형성하므로 매우 주의하여 다루어야 한다. 무거운 알칼리 금속은 가벼운 금속보다 더 강력하게 반응한다. 예를 들어, 동일한 몰 수의 금속이 물에 빠졌을 때 세슘은 칼륨보다 더 큰 폭발을 일으킨다. 알칼리 금속은 유효 핵전하가 낮고, 전자 하나를 잃어 비활성 기체의 전자 배열에 도달할 수 있으므로, 주기율표의 같은 주기 원소 중에서 첫 번째 이온화 에너지가 가장 낮다. 알칼리 금속은 물 이외에도 알코올, 페놀, 기체 암모니아, 알카인 등의 양성자 주개와도 반응한다. 환원제로서의 큰 힘은 다른 산화물이나 할로젠화물에서 금속을 해방시키는데 매우 유용하게 쓰인다.:76
모든 알칼리 금속의 두 번째 이온화 에너지는 핵에 더 가까운 완전한 껍질 안에 있기 때문에 매우 높다. 따라서 알칼리 금속은 거의 항상 하나의 전자를 잃어 양이온을 형성한다.:28 예외적인 경우로 알칼리화물이 있는데, -1 산화 상태의 알칼리 금속을 함유하고 있는 불안정한 화합물로, 이례적인 알칼리화물의 발견 이전에는 알칼리 금속은 음이온을 형성할 수 없다고 예상되었고 양이온으로만 염을 만들 수 있다고 생각되었다. 알칼리 음이온은 s-전자 껍질을 채웠기 때문에, 존재하기에 충분한 안정성을 제공한다. 리튬을 제외한 모든 안정한 알칼리 금속은 알칼리화물을 형성할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 알칼리화물은 특이한 화학량론과 낮은 이온화 퍼텐셜 때문에 이론적 관심이 많다. 알칼리화물은 화학적으로 전자화물과 유사하며, 전자화물은 갇힌 전자가 음이온 역할을 하는 염이다. 알칼리화물의 특히 두드러진 예는 "역수소화 나트륨", H+Na−(두 이온 모두 착이온이다)이며, 일반적인 수소화 나트륨인 Na+H−과는 반대로, 수소에서 나트륨으로 두 전자의 이동 때문에 높은 에너지로 인해서 여러 유도체는 준안정 또는 안정적이나 분리되면 불안정하다.
수용액에서 알칼리 금속 이온은 화학식 [M(H2O)n]+의 아쿠아 이온을 형성하며, 여기서 n은 용매화 수이다. 이온의 배위수와 모양은 이온 반지름에서 예측된 결과와 잘 일치한다. 수용액에서 금속 이온에 직접 부착된 물 분자는 일차 배위권에 속한다. 물 분자와 금속 이온 사이의 결합은 산소 원자가 두 전자를 모두 제공하는 공유 결합이다. 배위 결합된 물 분자는 수소 결합을 통해 다른 물 분자에 부착될 수 있다. 이 경우 이차 배위권에 있다고 한다. 그러나 알칼리 금속 양이온의 경우, 양이온의 +1 전하가 이차 배위권과 강한 수소 결합을 형성할 수 있을 만큼 일차 배위권의 물 분자를 편극시킬 만큼 충분히 높지 않아 2차 배위권이 잘 형성되지 않아, 보다 안정적인 실체를 생성한다.:25 Li+에 대한 용매화 수는 실험적으로 4로 결정되어, 사면체 모양의 [Li(H2O)4]+를 형성한다. 리튬 아쿠아 이온에 대해 3에서 6의 용매화 수가 발견되며, 4 미만의 용매화 수는 접촉 이온쌍의 형성 결과일 수 있으며, 높은 용매화 수는[Li(H2O)4]+의 면에 접근하는 물 분자로 해석될 수 있지만, 분자 역학 시뮬레이션 결과는 팔면체 헥사아쿠아 이온의 존재를 가리킨다. 나트륨 이온의 일차 배위권에는 아마도 6개의 물 분자가 있어, 팔면체 [Na(H2O)6]+ 이온을 형성할 것이다.:126–127 더 무거운 알칼리 금속의 경우 팔면체 모양의 헥사아쿠아 이온을 형성한다고 생각했으나, 그 이후로 칼륨과 루비듐은 엇사각기둥 모양의 [K(H2O)8]+와 [Rb(H2O)8]+ 이온을 형성하며, 세슘은 12극의 [Cs(H2O)12]+ 이온을 형성하는 것이 밝혀졌다.