Periodiek systeem/Alkalimetalen

---

Vorige pagina

Inhouds­opgave

Volgende pagina

Index

---

Alkalimetalen

De alkalimetalen zijn de metalen die in het periodiek systeem in de meest linkse kolom worden weergegeven, groep 1. Waterstof neemt een bijzondere plaats in, en lithium is het bovenste element van de eigenlijke groep, zodat de groep ook wel wordt aangeduid als de lithiumgroep

Galerij

1 H 3 Li 11 Na 19 K 37 Rb 55 Cs 87 Fr	Waterstof		Lithium	Natrium
	Waterstof: 2 gezichten, de Hindenburg gevuld met waterstof en natriumhydride		Lithium onder parafinaolie	Natrium vers gesneden
	kalium	Rubidium	Cesium	Francium
	Pas gesneden kalium	Rubidium in een ampul	Cesium onder een microscoop	Marguerite Perey, ontdekker van Francium

Alkalimetalen

	1																																																	18
1	H	2																																											13	14	15	16	17	He
2	Li	Be																																											B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg																																	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca																																	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Sr																			f - blok														Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Ba																			La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
7	Fr	Ra	g - blok																		Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts	Og
8	119	120	121	122	123	124	125	126	127	128	129	130	131	132	133	134	135	136	137	138	139	140	141	142	143	144	145	146	147	148	149	150	151	152	153	154	155	156	157	158	159	160	161	162	163	164	165	166	167	168
9	169	170	171	172	173	174	175	176	177	178	179	180	181	182	183	184	185	186	187	188	189	190	191	192	193	194	195	196	197	198	199	200	201	202	203	204	205	206	207	208	209	210	211	212	213	214	215	216	217	218

Waterstof

De positie van waterstof in het periodiek systeem is een lastige. Aan de ene kant is het een element met slechts één elektron in zijn valentieschil. Het ene elektron wordt bovendien relatief makkelijk afgestaan. Hierin lijkt waterstof erg op de alkalimetalen. Aan de andere kant is het een element dat nog één elektron nodig heeft om een volledig gevulde buitenste schil te krijgen. Ook in het feit dat waterstof bij gewone temperaturen een twee-atomig gas vormt lijkt het op de halogenen. In het makkelijk afstaan van zijn ene elektron lijkt het niet op de halogenen, maar met het opnemen van een elektron lijkt het zeker niet op de alkalimetalen.
Waterstof blijft daarmee een buitenbeentje dat nergens bijhoort. In de groep alkalimetalen is het een vreemde eend in de bijt, maar bij de halogenen ook. Hie is gekozen om waterstof bij de alkalimetalen te plaatsen.

De groep

Naast waterstof komen in dit hoofdstuk de elementen lithium, natrium, kalium, rubidium, cesium en francium aan de orde. Al deze elementen hebben bij het opvullen van hun elektronenschillen als laatste elektron een elektron in een s-subschil moeten plaatsen. Deze gemeenschappelijke elektronenverdeling zorgt voor een zeer gelijksoortig en karakteristiek gedrag voor deze elementen. De alkalimetalen vormen daarmee een van de beste voorbeelden van homoloog gedrag en het verloop van groepstrend in het periodiek systeem.
Samen met de aardalkalimetalen vormen ze het s-blok.

Kenmerken

Alle alkalimetalen hebben als vaste stof een heldere metaalglans, zijn zacht en reageren al heftig tot zeer heftig bij kamertemperatuur waarbij het buitenste s-elektron, het valentie-elektron afgestaan wordt en een kation met lading +1. Deze metalen kunnen allemaal makkelijk met een gewoon tafelmes gesneden worden, waarbij een glimmend metaaloppervlak ontstaat. Snel na het snijden wordt het oppervlak al dof wegens oxidatie door vocht in de lucht en zuurstof. Wat lithium reageert behalve met vocht en zuurstof ook met stikstof. Vanwege hun hoge reactiviteit moeten de metalen onder olie bewaard worden en komen ze nooit vrij in de natuur voor,, maar allen in de vorm van zouten. Alle alkalimetalen reageren met vloeibaar water, de zwaardere heftiger dan de lichtere.

Voorkomen

Alle alkalimetalen komen als hun verbindingen in de natuur voor. De volgorde naar hoeveelheid is dat natrium, gevolgd door kalium, lithium, rubidium cesium en als minst voorkomende francium. Het lage voorkomen van francium, sporen in radioactieve mineralen, is geheel te wijten aan het voorkomen ervan in radioactieve vervalreeksen. De isotopen van francium zelf hebben slechts zeer korte halveringstijden (maximaal 22 minuten).
Theoretisch zou het eerste element van de 8e periode, element 119, ook bij deze groep horen, maar experimenten om het te maken zijn tot nu toe niet geslaagd. Op theoretische basis wordt verwacht dat dit element mogelijk weinig overeenkomsten met de andere alkalimetalen zal vertonen ten gevolge van relativistische effecten. Van deze effecten wordt verwacht dat ze van grote invloed zullen zijn op de chemie van de |transactiniden. Zelfs als het zich toch een alkalimetaal blijkt te gedragen zullen er aanmerkelijke verschillen zijn met de lichtere elementen uit de reeks.

Toepassingen

De meeste alkalimetalen worden op een groot aantal manieren toegepast. Een van de eer bekende toepassingen als zuiver element is die waarbij ze de basis vormen voor atoomklokken. De cesium-atoomklok vormt zelfs de basis voor de definitie van de seconde. Ook de Europese centrale aansturing van tijdaansturing van radiografisch gesynchroniseerde klokken en het wereldwijd gebruikte GPS-systeem.
Van natrium als zuiver element is de toepassing in natriumlampen belangrijk, terwijl de verbinding erven met chloor als natriumchloride in de vorm van keukenzout wereldwijd de belangrijkste toepassing van alkalimetalen en hun verbindingen is.
Lithium vormt als ingrediënt van de lithium-ion-batterij een onderdeel van de energietransitie en wordt in zijn verbindingen ingezet als psychofarmacon. Biologisch zijn natrium, kalium en lithium essentiële voedingsstoffen en hoewel de andere alkalimetalen niet essentieel zijn, hebben ze wel, zowel positieve als negatieve, effecten op het lichaam.

Gebruik

Van de alkalimetalen vindt natrium de meeste toepassingen, meestal in een verbinding. Zo is ${\ce {NaCl}}$ (keukenzout) een veel gebruikte stof (210 megaton in 2000), vooral in de chlooralkali-industrie en voor het ijsvrij houden van de wegen. ${\ce {NaOH}}$ (natronloog) vindt veel toepassing in de synthese van organische en anorganische chemicaliën, de papierindustrie, zeepproductie, waterzuivering en aluminiumproductie. Natronloog is de meestgebruikte sterke base.

Het metaal natrium vindt onder andere toepassing in oplaadbare batterijen. Hier reageert natrium met zwavel tot ${\ce {Na2S_{n}}}$. Deze zijn anno 2006 nog niet grootschalig in productie genomen, maar de resultaten in proeven zijn veelbelovend. Ook lithium wordt gebruikt in batterijen, waarvoor het zeer geschikt is door de hoge negatieve reductiepotentiaal in combinatie met een laag gewicht per ladingseenheid. Lithium wordt gebruikt in batterijen voor camera's in combinatie met ijzersulfide.

Reacties

Alkalimetalen reageren heftig met zuurstof, maar reageren nog heftiger met water. Bij de reactie met water ontstaat namelijk MOH (M = alkalimetaal), waterstof en warmte.

${\ce {2Na_{(s)}\ +\ 2H2O_{(l)}\ \longrightarrow \ 2Na_{(aq)}^{+}\ +\ 2OH_{(aq)}^{-}\ +\ H2\uparrow \ +\ Warmte}}$

Deze reactie wordt typisch uitgevoerd door een klein stukje net gesneden natrium in een bekerglas met water te doen. Natrium heeft een kleinere dichtheid dan water en blijft dus drijven. De reactie speelt zich af aan de onderzijde van het stukje natrium en het wateroppervlak. De warmte vrijkomende reactiewarmte komt deels in het water, deels in het stukje natrium terecht. Op de temperatuur van het water heeft deze warmte weinig effect. Water heeft een grote soortelijke warmte en is meestal in ruime mate aanwezig. Op het natrium heeft de toegevoerde warmte wel effect. De soortelijke warmte en de massa zijn veel kleiner. De temperatuur van het metaal stijgt, het natrium smelt en bij verdergaande reactie bereikt het de ontstekingstemperzuur van waterstof. Het gas zal gaan branden en nog meer warmte ontwikkelen, die ook weer deels in het metaal terecht komt. Als het stukje metaal in het begin groot genoeg was zal het zijn kooktemperatuur bereiken en in de gasfase overgaan. Hierbij komt natriumdamp van 960 °C heet in contact met luchtzuurstof en zal in een explosieve reactie de laatste hoeveelheid natrium verbranden.

Door de hoge reactiviteit van alkalimetalen ten opzichte van water wordt natrium nog wel eens 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.

De metalen reageren niet alleen met water, maar ook met andere zuurstofverbindingen, 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 propaan-2-ol:

${\ce {2Na\ +\ 2(CH3)2CHOH\ \longrightarrow \ (CH3)CHONa\ +\ H2\uparrow }}$

Deze reactie verloopt minder heftig dan met ethanol en zeker in vergelijking met die van water. De reactie is dan ook een stuk veiliger.

Gegevens

Gegevens van alkalimetalen

Naam	Smbl	Nr	M	Smpnt	Kkpnt	EN	Rth	Rcov
Waterstof	H	1	1,0079	-259,14	-252,87	2.20	53	25
Lithium	Li	3	6,941	180,64	1347	0,98	167	145
Natrium	Na	11	22,990	97,86	881,5	0,93	190	180
Kalium	K	19	39,098	63,4	765,6	0,82	243	220
Rubidium	Rb	37	85,468	38,94	688	0,82	265	235
Cesium	Cs	55	132,9054	28,5	671,2	0,79	298	260
Francium	Fr	87	[223	27	677	<0,79	-	-

Smbl	: Symbool
Nr	: Atoomnummer
Smbl	: Symbool
Smpntl	: Smeltpunt (°C)
Kkpnt	: Kookpunt (°C)
EN	: Elektronegativiteit (Pauling)
Rth	: Op theoretische basis berekende atoomstraal (pm)
Rcov	: Op basis van metingen aan covalent gebonden atomen berekende atoomstralen. (pm)

---

Vorige pagina

Inhouds­opgave

Volgende pagina

Index

---