عناصر گروه اول (فلزات قلیایی) جدول تناوبی در توصیفی ساده
به عناصر گروه اول جدول تناوبی به استثنای هیدروژن فلزات قلیایی می گویند. دلیل مستثنی بودن این گاز خواص کاملا متفاوتش با این عناصر است.
در محلول آبی خاکستر چوب، وجود ترکیبات فلزات قلیایی (عناصر گروه اول) باعث شده که خاصیت قلیایی داشته و چربی ها را در خود حل کند. وقتی گذشتگان متوجه این موضوع شدند، به عناصر گروه اول جدول مندلیف نام فلزات قلیایی را دادند. به فلزات قلیایی عناصر بلوک s و همچنین عناصر خانواده لیتیم نیز گفته می شود. در ادامه این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک با این گروه از عناصر جدول تناوبی بیشتر آشنا شوید.
فلزات قلیایی در یک نگاه
این فلزات رنگ نقره ای داشته، بسیار نرم هستند طوری که به راحتی با چاقو بریده می شوند. عناصر این گروه شامل لیتیم، روبیدیم، سدیم، پتاسیم، سزیم و فرانسیم است. سطح درخشانی داشته و چون در لایه ظرفیت خود فقط یک الکترون دارند (الکترون اوربیتال s)، قدرت واکنش پذیری بالایی دارند. به همین دلیل در طبیعت نه به صورت آزاد بلکه به صورت ترکیب با عناصر دیگر یافت می شوند. به عنوان مثال سدیم به شکل NaCl یا هالیت در آب دریا و پتاسیم به شکل KCl (کانی سیلویت) در معادن یافت می شود. دربین این فلزات فرانسیم خاصیت رادیواکتیوی دارد و در طبیعت کمیاب است.
از کاربردهای مهم این عناصر، ترکیبات سدیم در تشکیل نمک، لیتیم در ترکیبات دارو، سزیم و روبیدیم در ساعت های اتمی و پتاسیم در نقش الکترولیت می توان اشاره کرد.
خواص فیزیکی فلزات قلیایی
از جمله این خواص می توان به پایین بودن نقطه ذوب، نقطه جوش و همچنین چگالی پایین آن ها اشاره کرد. به طوری که چگالی سه عنصر لیتیم، سدیم و پتاسیم از چگالی آب کمتر است. فلزات قلیایی هر کدام در مقابل شعله رنگ متفاوتی از خود نشان می دهند. سدیم شعله را به رنگ زرد، لیتیم به رنگ قرمز لاکی و پتاسیم به رنگ بنفش در می آورد. کاری که شعله می کند این است: انرژی لازم برای برانگیخته شدن الکترون ظرفیت عنصر را در اختیار آن می گذارد. انرژی که هنگام برگشت الکترون برانگیخته به حالت پایه از خود منتشر می کند دارای طول موج خاصی در منطقه مرئی است که باعث ایجاد رنگ در شعله می شود.
فلزات قلیایی همچنین آنتالپی ذوب، تبخیر و تصعید کمی دارند. شعاع اتمی در این گروه با حرکت از بالا به پایین جدول افزایش می یابد. آرایش الکترونی لایه ظرفیت آن ها به شکل ns۱ می باشد.
خواص شیمیایی فلزات قلیایی
همان طور که گفته شد این عناصر در لایه ظرفیت خود یک الکترون دارند. پس به شدت میل ترکیبی با عناصر دیگر به واسطه از دست دادن این تک الکترون دارند. تا جایی که در هوای آزاد نمی توان آن ها را نگه داشت چون با اکسیژن هوا اکسید شده و تیره می شود. پس باید در زیر نفت یا پارافین یا گازهای بی اثر نگهداری شوند، اما نگهداشتن آن ها در آب بدلیل تشکیل هیدروکسید قلیایی با آب امکان پذیر نیست. از ترکیب این عناصر با هالوژن ها هالیدهای فلزی تشکیل می شود.
ترتیب تغییر خواص فلزات قلیایی در گروه اول
در این گروه هرچه از بالا به سمت پایین جدول تناوبی می رویم با افزایش عدد اتمی، تعداد لایه های الکترونی زیاد می شود. پس افزایش شعاع و چگالی را خواهیم داشت، با یک استثنا، سدیم از پتاسیم چگالتر است. با همین روند حرکت (بالا به پایین) نقطه ذوب، نقطه جوش، آنتالپی ذوب و تبخیر و گرمای تبخیر کاهش می یابد. همچنین الکترونگاتیوی در این حالت حرکت کاهش می یابد. اما شدت واکنش پذیری در همین روند به دلیل افزایش فاصله الکترون ظرفیت از مرکز هسته افزایش می یابد. طوری که سزیم با آب واکنش انفجاری دارد.
تغییر انرژی یونش
به مقدار انرژی لازم برای جدا کردن الکترون ظرفیت از یک اتم در حالت گازی و تبدیل آن به یون مثبت گازی را انرژی یونش گویند. چون در این فرایند برای غلبه بر جاذبه بین هسته و الکترون انرژی صرف می شود، علامت انرژی یونش مثبت است. در یک گروه از بالا به پایین اثر بار موثر هسته روی الکترون ظرفیت با اثر پوششی الکترون های داخلی خنثی می شود. تنها عامل موثر بر میزان انرژی یونش، شعاع اتمی خواهد بود. با افزایش شعاع فاصله الکترون سست از مرکز هسته زیاد شده و میزان انرژی لازم برای کندن الکترون کاهش می یابد. فرانسیم از این روند طبعیت نمی کند و انرژی یونش آن از سزیم بیشتر است.
نکته
تمام توضیحات تا اینجا مربوط به انرژی اولین یونش این عناصر است. انرژی لازم برای جدا کردن دومین الکترون و تبدیل کاتیون یه بار مثبت به کاتیون دو بار مثبت را انرژی دومین یونش گویند. در این گروه کاتیون یکبار مثبت آرایش پایدار و اوکتت دارد. بدین ترتیب کندن این الکترون که باعث برهم زدن آرایش پایدار خواهد شد بسیار سخت خواهد بود. پس در عناصر گروه اول انرژی دومین یونش بیشتر از انرژی اولین یونش است.
تغییر الکترونگاتیوی
همانطور که می دانیم تمایل اتم به جذب الکترون لایه ظرفیت به سمت هسته خود را الکترونگاتیوی می گویند. در گروه فلزات قلیایی با حرکت از بالا به پایین با افزایش شعاع اتمی، الکترونگاتیوی کاهش می یابد. در پاراگراف های بعدی به این موضوع اشاره می شود که فرانسیم از این قانون پیروی نمی کند.
خواص متفاوت لیتیم
لیتیم به عنوان سبک ترین فلز قلیایی شناخته می شود. این عنصر کمترین میزان تمایل به شرکت در واکنش های شیمیایی را نسبت به دیگر فلزات قلیایی دارد. اما بر خلاف آن ها به علت کوچک بودن کاتیون آن می تواند با قطبی کردن آنیون ها ترکیبات خود را بیشتر کووالانسی کند. از ترکیبات کووالانسی آن می توان LiF، LiBr، Li۲S، Li۲C۲ و نمونه های دیگر را نام برد.
از ویژگی های متفاوت لیتیم با فلزات قلیایی می توان به رابطه قطری که با منیزیم در جدول دارد اشاره کرد. هردو شعاع اتمی و یونی برابر دارند. هر دو در اثر واکنش با نیتروژن نیترید و از واکنش با اکسیژن، اکسید (Li۲O) و پراکسید (Li۲O۲) می دهند و همچنین هر دو در تشکیل ترکیبات آلی- فلزی شرکت می کنند.
خواص متفاوت فرانسیم
شعاع اتمی فرانسیم برخلاف ترتیب روند این گروه از سزیم کوچکتر است. علت آن فشرده شدن اوربیتال ۷s۲ و نزدیک شدن الکترون ظرفیت به هسته اتم است. بر این اساس انرژی یونش آن نیز از قانون گروه پیروی نکرده و از انرژی یونش سزیم بیشتر است. به این عنصر اکاسزیم نیز می گویند. فرانسیم خواص رادیواکتیو دارد و پایدارترین ایزوتوپ آن فرانسیم ۲۲۳ با نیمه عمر ۲۲ دقیقه است. این عنصر قدرت واکنش پذیری کمتری از سزیم دارد.
محصول واکنش فلزات قلیایی با عناصر دیگر (ترکیبات)
فلزات قلیایی با عناصر دیگر ترکیباتی نظیر هیدروکسیدها، هالیدها، نیتریدها، اکسیدها، ترکیبات نیمه فلزی و بسیاری از ترکیبات دیگر تشکیل می دهند.
هیدروکسیدهای فلزات قلیایی
همه فلزات قلیایی در واکنش با آب تولید هیدروکسید می کنند که جامداتی سفیدرنگ (فرمول مولکولی MOH) و قابل حل در آب هستند. البته به جز لیتیم هیدروکسید که در آب نامحلول است. اما شدت واکنش این فلزات از بالا به پایین جدول افزایش می یابد. لیتیم به آرامی، سدیم به شدت و با تولید شعله نارنجی و پتاسیم با شدت بیشتر و با رنگ شعله بنفش واکنش می دهد. و اما شدت واکنش پذیری روبیدیم و سزیم با آب به قدری زیاد است که شعله زیاد سبب خردشدن ظرف آزمایش می شود. مکانیسم واکنش به این ترتیب است که شکستن پیوند هیدروژنی در واکنش آب با فلز باعث ایجاد گاز هیدروژن می شود. در مرحله بعد گرمای حاصل از مرحله اول باعث سوختن گاز هیدروژن می شود.
اکسیدها و هالیدهای فلزات قلیایی
در واکنش با اکسیژن هوا فلزات قلیایی تولید اکسید به فرمول M۲O می دهند. در میان آن ها سدیم بیشتر به پروکسید (Na۲O۲) و پتاسیم بیشتر به سوپر اکسید (K۲O) تبدیل می شود.
از واکنش فلزات قلیایی با هالوژن ها هالیدهای فلزی با فرمول MX که جامد و سفیدرنگ هستند تولید می شود. همه این هالیدها در آب حل می شوند به جز لیتیم هالید.
نیمه فلزات
نیمه فلزات می توانند از ترکیب فلزات قلیایی با هم و با برخی عناصر گروه های دیگر بدست آیند. این فرایند نتیجه پیوند فلزی بین یون های فلزی با بار مثبت در ساختار شبکه بلوری است. ملغمه سدیم با جیوه به عنوان یک کاهنده مهم در شیمی استفاده می شود. ملغمه جیوه پتاسیم به شکل های متفاوت KHg به رنگ طلایی و KHg۲ به رنگ نقره ای می باشد. آلیاژ سدیم پتاسیم در دمای اتاق مایع هستند.
نیمه فلزاتی که از ترکیب فلزات قلیایی با عناصر گروه ۱۳ مثل آلومینیم بدست می آیند یک نیمه رسانا هستند. این ترکیبات در حالت عادی عایق اند، ولی با افزودن مقداری ناخالصی هادی الکتریسیته می شوند. از ترکیب فلزات قلیایی مثل سدیم و لیتیم با کربن استانیلیدها (Li۲C۲_Na۲C۲) بدست می آید. فلزات قلیایی پتاسیم، روبیدیم و سزیم در ترکیب با سایر عناصر هم گروه کربن ترکیبات یونی مثل سیلیسیدها (Mi۴Si۴) را تشکیل می دهند.
کاربرد فلزات قلیایی
لیتیم به عنوان یکی از اجزای مهم در باتری های لیتیم- یونی در رایانه ها و تلفن های همراه می باشد. استفاده از لیتیم در صنعت داروسازی حائز اهمیت است و از لیتیم کلرید به عنوان خشک کننده استفاده می کنند. کاربرد مهم سدیم در ساخت نمک طعام و استفاده از آن در ساخت صابون، تهیه آلیاژ سدیم پتاسیم و تولید لامپ های بخار سدیم مهم است. در ترکیب کود شیمیایی پتاس اکسید پتاسیم استفاده شده، همین طور پتاسیم به عنوان کنترل کننده PH در محلول ها استفاده می شود. کاربردهای دیگر آن ساخت شیشه و ساخت باروت است. از روبیدیم و سزیم در ساخت ساعت های دقیق اتمی استفاده می شود. فرانسیم در آزمایش های اسپکتروسکوپی کاربرد دارد.
فلزات قلیایی در جدول تناوبی
فلزات قلیایی اولین گروه از عناصر بلوک s هستند که در سمت چپ جدول تناوبی یافت می شوند. این فلزات ترکیبات مفید مختلفی را با هالیدها، اکسیژن و گوگرد تشکیل دادند. فلزات قلیایی در محلول آبی خود یک باز قوی تشکیل می دهند. عناصر قلیایی کمترین چگالی را دارند زیرا بیشترین شعاع و حجم را دارند. در نتیجه چگالی کم، بسیار نرم هستند و می توان آنها را با چاقو برش داد. عناصر لیتیوم، سدیم و پتاسیم همگی سبکتر از آب هستند. در بین تمام فلزات قلیایی، پتاسیم (K) کمترین چگالی را دارد.
فلزات قلیایی فلزات الکترومثبت هستند که با آزاد کردن تنها الکترون های خود از پوسته والانس به راحتی کاتیون ها را تشکیل می دهند. انرژی یونیزاسیون فلز قلیایی با پایین آمدن در امتداد گروه در جدول تناوبی کاهش می یابد. افزایش اندازه اتمی فلزات قلیایی، کشش الکترواستاتیکی هسته را به سمت الکترون ها کاهش می دهد و باعث می شود الکترون راحت تر از پوسته والانس خود فرار کند.
محلول ترین یون فلز قلیایی یون لیتیوم است و با افزایش اندازه یون، حلالیت یون فلز قلیایی کاهش می یابد. ماهیت یونی و اندازه یک ماده بر حلالیت آن در آب تأثیر می گذارد. یون های کوچکتر چگالی بار بیشتری دارند و می توانند توسط مولکول های آب بیشتری حل شوند. این منجر به آنتالپی هیدراتاسیون بالاتر و یون های هیدراته پایدارتر می شود.
از آنجایی که فلزات قلیایی به راحتی الکترون های خود را اهدا می کنند و یون های مثبت تشکیل می دهند، به عنوان عوامل کاهنده خوبی در نظر گرفته می شوند. پتانسیل کاهش عناصر با انرژی یونیزاسیون عناصر نسبت معکوس دارد زیرا انرژی یونیزاسیون کاهش می یابد پتانسیل کاهش افزایش می یابد.
انرژی مورد نیاز برای انتقال الکترونیکی بین سطوح انرژی موجود در عناصر بلوک s در ناحیه طیف مرئی قرار می گیرد. در نتیجه هنگام گرم شدن، رنگ شعله مشخصی دارند.
