De alkalimetalen in diverse houders
Een
alkalimetaal
is een
element
uit de eerste groep van het
periodiek systeem
, waartoe
lithium
,
natrium
,
kalium
,
rubidium
,
cesium
en
francium
behoren.
Waterstof
wordt echter niet tot de alkalimetalen gerekend, omdat waterstof slechts 1
elektron
bezit en niet meer de chemische eigenschappen van een alkalimetaal vertoont. Van francium, een sterk
radioactief
element met een
halveringstijd
van 21,8 minuten voor de langstlevende
isotoop
, zijn eigenlijk te weinig gegevens bekend om te bepalen of het zich wel of niet als een alkalimetaal gedraagt.
De term alkalimetaal komt van het Arabische woord voor
potas
;
al-qalyah
(?????????, "as van planten"). Potas is de oude benaming voor
kaliumcarbonaat
, dat gewonnen werd uit houtas. Door
elektrolyse
van gesmolten
kaliumhydroxide
, dat hij uit potas verkreeg, bereidde Sir
Humphry Davy
in 1807 voor het eerst het element kalium. Een verwijzing hiernaar vindt men in het Engels en Frans waarin kalium
potassium
wordt genoemd en in het Italiaans waarin het
potassio
heet.
De alkalimetalen hebben gemeen dat zij een
elektronenconfiguratie
van [X]ns
1
hebben, waarin X een
edelgas
is. Dit betekent dat zij in de buitenste elektronenschil slechts een elektron in de s-
orbitaal
hebben. Dit heeft tot gevolg dat de alkalimetalen een vrij lage
ionisatie-energie
hebben, zodat zij gemakkelijk eenwaardig positieve
ionen
kunnen vormen om in de
edelgasconfiguratie
te komen. Hun hele chemische gedrag wordt daardoor beheerst; zij vormen dan ook gemakkelijk
zouten
met
halogenen
, zoals
keukenzout
(NaCl) . Het zijn uitstekende
reductoren
en bijzonder onedel. Zij gaan gemakkelijk reacties aan met
elektronegatieve
elementen zoals
zuurstof
en
jodium
.
Alkalimetalen zijn goede
thermische
en
elektrische
geleiders
die wat betreft de elektrische geleiding van alle metalen het ideaal van een vrij-elektrongeleider met een
parabolische
band het dichtst benaderen.
De elementen
lithium
,
natrium
,
kalium
en
rubidium
zijn zachte, zilverwitte metalen met een typische metaalglans. Ze moeten vanwege de hoge reactiviteit met zuurstof onder olie of anderszins afgesloten van de lucht bewaard worden, maar zelfs onder olie raakt de buitenkant bij natrium al geoxideerd. De kleur kan dus alleen gezien worden wanneer het blokje wordt doorgesneden. Het buitenste elektron van
cesium
heeft door
relativistische effecten
, waardoor het elektron uit de s-orbitaal als gevolg van de
lengtekrimp
dichter op de kern komt te zitten, een lagere energie en een hogere
ionisatie-energie
. Dit effect veroorzaakt een goudgele glans die ook bepalend is voor de kenmerkende kleur van goud.
Geen van de alkalimetalen komt in de natuur als gedegen element voor op aarde. Dit komt door de hoge reactiviteit. Wanneer zij in aanraking komen met
lucht
, vormen zij gelijk
oxiden
met de aanwezige zuurstof. Alkalimetalen reageren sterk exotherm met
water
onder vorming van een alkalihydroxide en waterstof. De alkalimetalen komen wel voor in zouten, voornamelijk van natrium en kalium.
Natrium komt vooral voor in keukenzout (NaCl), het meest voorkomende zout op Aarde, waarvan er grote zoutbronnen bestaan, maar ook in zee (hoewel een stuk onzuiverder). Kalium komt voor in
sylviet
(KCl),
sylviniet
(een mengsel van KCl en NaCl), en
carnalliet
(KCl · MgCl
2
· 6 H
2
O). Natrium en kalium worden ook gewonnen uit andere mineralen, zoals
borax
en
chilisalpeter
, waar zij een bijproduct vormen bij de productie van bijvoorbeeld
boor
of
stikstofverbindingen
.
In tegenstelling tot natrium en kalium komen lithium, rubidium en cesium nauwelijks voor. Wanneer zij toch voorkomen, is dat in
silicaat
-mineralen.
Van de alkalimetalen vindt natrium de meeste toepassingen, meestal in een verbinding. Zo is NaCl (keukenzout) een veel gebruikte stof (210 megaton in 2000), vooral in de chlooralkali-industrie en voor het ijsvrij houden van de wegen. NaOH (
natriumhydroxide
) (opgelost in water vormt het een zeer
sterke base
(NaOH
(aq)
) vindt veel toepassing in de synthese van
organische chemicalien
,
anorganische chemicalien
, de papierindustrie, zeepproductie, waterzuivering en
aluminiumproductie
.
Natronloog
, een
waterige oplossing
van natriumhydroxide, is de meestgebruikte sterke
base
.
Het metaal natrium vindt onder andere toepassing in
oplaadbare batterijen
. Hier reageert de natrium met
zwavel
tot Na
2
S
n
. Ook lithium wordt gebruikt in
batterijen
, waarvoor het zeer geschikt is door de grote negatieve
standaardelektrodepotentiaal
, en wordt gebruikt in batterijen voor
camera
's in combinatie met
ijzer(II)sulfide
.
Alkalimetalen reageren heftig met zuurstofgas, maar reageren nog heftiger met water. Bij de reactie met water ontstaat namelijk MOH (M = alkalimetaal),
H
2
en warmte. De waterstof kan hierdoor ontbranden, waardoor de algehele reactie nog heftiger wordt. Door de hoge reactiviteit van alkalimetalen met water wordt natrium nog weleens gebruikt als
droogmiddel
(wateronttrekkend middel) voor
koolwaterstoffen
en
ethers
. Wanneer het natrium immers onaangetast blijft in de koolwaterstof, bevindt er zich geen water meer in. Wanneer een alkalimetaal reageert met een element uit de 17e groep van het periodiek systeem (een
halogeen
), noemen we het resultaat een
alkalihalogenide
.
De metalen reageren niet alleen met water, maar ook met andere verbindingen van waterstof en zuurstof, zoals
OH
-functies die gevonden worden in stoffen als
methanol
en
ethanol
. Met eventuele resten natrium moet na een reactie dan ook zeer zorgvuldig worden omgegaan, en meestal worden deze resten dan ook afgeblust, met zuivere ethanol of
isopropanol
. In het laatste geval ontstaat dan NaOCH(CH
3
)
2
. Deze reactie verloopt minder heftig, en is dan ook wat veiliger.
De elementen in deze groep zijn in het periodiek systeem hieronder gekleurd.
Bronnen, noten en/of referenties
- CE Housecroft, A.G Sharpe et al. ,
Inorganic Chemistry, second edition
-
ISBN 0-13-039913-2
- Hoofdstuk 10
Group 1: the alkali metals