Periodiek systeem/Alkalimetalen, eigenschappen, periodiek

Periodieke trends

In de groep van de alkalimetalen zijn de overeenkomsten in eigenschappen groter dan in welke andere groep in het periodiek systeem ook.^[1] Zo wordt de atoomstraal, gaande door de groep naar beneden, steeds groter,^[2] daalt de elektronegativiteit,^[2] stijgt de reactiviteit^[1] en dalen smelt- en kookpunten evenals de smelt- en verdampingswarmte,^[3] en stijgt, met uitzondering van kalium, de dichtheid.^[2]

Atoom- en ionstralen

Effectie kernlading voor een elektron
E: het elektron waar je naar kijkt
N: de atoomkern
I: een elektron dichte rbij de kern schermt deze gedeeltelijk af
O: een elektron verder weg heeft geen effect

De atoomstraal van de van de alkalimetalen stijgt gaande door de groep van lithium naar frabcium.^[2] Tengevolge van het afschermende effect door andere elektronen in een atoom met meerdere elektronen werken op een willekeurig elektron zowel aantrekkende krachten (de positief geladen atoomkern) als afstotende krachten (de nehatief geladen andere elektronen.^[4] In de alkalimetalen is het effect op het buitenste elektron dat dat effectief een kernlading van +1 "ziet". De totale kernlading is wel gelijk aan het atoomnummer, maar de gevulde meer naar binnen gelegen elektronenschillen schermen deze lading af. Het aantal elektronen in deze volle schillen is bij alkalimetalen 1 minder dan het atoomnummer. Heg gevolg is dat de atoomstraal alleen bepaald wordt door het aantal elektronschillen, en dat neemt gaande door de kolom steeds toe. De atoomstraal neemt dus ook steeds toe.^[2]

Atoomstralen van de alkalimetalen^[3]^[5]
Naam	Lithium	Natrium	Kalium	Rubidium	Cesium	Francium
Atoomstraal (pm)	152	186	227	248	265	?

De ionstraal van de alkalimetalen is veel kleiner dan de atoomstraal. Het buitenste elektron van het atoom is verwijderd, waardoor een hele elektronenschil niet meer meedoet en het deeltje dus kleiner is. Daarnaast speelt mee dat elektronen in meer naar buiten gelegen schillen weinig bijdragen aan het afschermen van de kernlading voor de overige elektronen, maar helemaal nul is de afscherming niet, zeker niet voor s-elektronen. De effectieve kernlading die de overgebleven ionen "zien" is dus hoger geworden, waardoor de elektronen dus sterker worden aangetrokken en een kleiner ion overblijft.^[1]

Ionstralen van de alkalimetalen^[3]^[5]
Naam	Lithium	Natrium	Kalium	Rubidium	Cesium	Francium
Ionstraal 6-gecoördineerd M⁺ (pm)	76	102	138	152	167	?

Eerste en verdere ionisatie-energieën

Periodieke trend van de eerste ionisatie-energie: elke periode begint met een minimumwaarde voor het alkali-metaal en eindigt met een maximum voor het edelgas. Voor de elementen verder dan 104 zijn theoretisch voorspelde waarden gebruikt.

De eerste ionisatie-energie van een element of molecuul is de energie die nodig is om het minst sterk gebonden elektron van één mol gasvormige atomen of moleculen te verwijderen waardoor één mol gasvormige ionen met lading +1 ontstaat. Factoren die de eerste ionisatie-potentiaal bepalen zijn de kernlading, de mate van afscherming van de kernlading door andere elektronen en de afstand van het minst stevig gebonden elektron tot de kern. Voor elementen in de hoofdgroepen is dit altijd een van de buitenste elektronen. De eerste twee factoren bepalen de effectieve kernlading die het elektron "ziet". Omdat voor alkalimetalen deze lading altijd +1 is, is de enige echte factor de afstand van het elektron tot de atoomkern. Omdat deze afstand door de groep heen steeds groter wordt, wordt de aantrekking tussen kern en elektron steeds minder: de ionisatie-energie zal dalen.^[2]

Deze trend wordt verbroken door francium. Ten gevolge van relativistische stabilisatie en contractie van de 7s-orbitaal brengt het minst gebonden, 7s, elektron meer tijd in de buurt van de atoomkern door dan op basis van niet-relativistische berekeningen verwacht kan worden. Het gevolg is dat het buitenste elektron van francium meer kernlading "ervaart" dan dat van cesium. De eerste ionisatiestap wordt daardoor verhoogd naar een niveau net boven dat cesium.^[6]

De tweede ionisatie-potentiaal van de alkalimetalen heeft betrekking op een p-elektron van een volle lagere schil dan waaruit het eerste elektron verwijderd moest worden. Zowel het vol zij van de schil als zijn lagere nummer zorgen voor een veel grotere energie dan voor het eerste elektron nodig was.^[1]

Ionisatie- energieën van de alkali-metalen in kJ/mol^[7]
Nummer	Symbol	1st	2nd	3rd	4th	5th	6th	7th	8th	9th	10th	11th	12th	13th	14th	15th	16th	17th	18th	19th
1	H	1312,0
3	Li	520,2	7298,1	11815,0
11	Na	495,8	4562	6910,3	9543	13354	16613	20117	25496	28932	141362	159076
19	K	418,8	3052	4420	5877	7975	9590	11343	14944	16963,7	48610	54490	60730	68950	75900	83080	93400	99710	444880	476063
37	Rb	403,0	2633	3860	5080	6850	8140	9570	13120	14500	26740
55	Cs	375,7	2234,3	3400
87	Fr	393
119	Uue	463,1	1700

Reactiviteit

De reactivitiet van de alkali-maetalen neemt toe naarmate je lager in de kolom komt. Dit is vooral het reaultaat van twee elkaar vertsterkende factoren.

De potentiaal van de eerste ionisatie. De eerste ionisatie-energie neemt gaande door de kolom af.
De atomisatie-energie. Dit is de energie die nodig is om een metaal-atoom uit zijn metaalrooster los te maken. Ook deze waarde wordt gaande van boven naar beneden door de kolom kleiner. In de elementen lager in de kolom is de afstand tussen het valentie-elektron en de atoomkern groter dan in de elementen meer bovenaan. De atomen zijn groter, waardoor de bindingen langer worden en overlap tussen de s-orbitalen minder efficient. wat tot zwakkere bindingen leidt.

Om een reactie aan te gaan moet een atoom los gemaakt worden uit het metaal waarin het zit (atomisatie) en moet het buitenste elektron verwijderd worden (ionisatie). Door de twee waarden bij elkaar op te tellen ontstaat een waarde die gerelateerd is (maar niet gelijk) aan de activeringsenergie. De som van de twee groootheden daalt door de groep, en zo ook de activerings-energie voor reacties. Een reactie met een kleinere activeringsenergie verloopt sneller, heftiger, en in gewoon Nederlands zeg je: het metaal is reactiever.^[8]

Atomisatie-energie (= vormingsenthalpie) en eerste ionisatie-potentiaal van de alkalimetalen^[3]^[5]
Name	Lithium	Natrium	Kalium	Rubidium	Cesium	Francium
Vormingsenthalpie, één-atomig gas (kJ·mol⁻¹)	162	108	89,6	82,0	78,2	?
Eerste ionisatie-energie (kJ·mol⁻¹)	520,2	495,8	418,8	403,0	375,7	392,8^[9]
som (kJ·mol⁻¹)	682,2	603,8	508,4	485,0	453,9	?

Electronegativiteit

Elektronegativiteit (Pauling) op de y-as als functie van de periode (2 tot en met 6) voor de hoofdgroepen in het periodiek systeem.

Elektronegativitei is een chemische eigenschap die in een getal de tendens beschrijft die een atoom of functionele groep heeft om elektronen (of elektronendichtheid) naar zichzelf toe te trekken.^[10] Als de binding tussen natrium en chloor in natriumchloride covalent was, zou het bindende elektronenpaar naar het chlooratoom verschoven worden omdat de effectieve kernlading daarvan +7 bedraagt en die van natrium maar +1. Het elektronenpaar wordt zo dicht naar het chloor-atoom getrokken, dat het practisch overgedragen is aan het chloor-atoo (wat de essentie is van een ionogene binding). Wordt natrium door lithium vervangen, dan is de verschuiving van lithium naar chloor kleiner dan die van n atrium naar chloor. De effectieve lading van lithium is net zo groot als die van natrium, maar het ion is veel kleiner. Van boen naar beneden gaand in de kolom wordt het bindende elektronenpaar minder door het metaal aangetrokken, en verschuift dus steeds meer naar het chlkoor-atoom. Francium is, door de relativistische effecten waarschijnlijk een uitzondering.^[2]

Vanwege de hogere elektronegativiteit van lithium hebben een aantal van zijn verbindingen een meer covalent karakter. Zo is lithiumjodide ${\ce {(LiI)}}$ oplosbaar in organische oplosmiddellen, een eiegenschap die typisch hoort bij covalente verbindingen.^[2] LiF is het enige alkalihalide dat slecht in water oplost^[1] en LiOH is het enige alkali-hydroxide dat niet vervloeit met het vocht dat in de lucht aanwezig is.^[1]

Elektronegativiteit van de alkalimetalen^[3]^[5]
Name	Lithium	Natrium	Kalium	Rubidium	Cesium	Francium
Elektronenaffiniteit (kJ·mol⁻¹)	59,62	52,87	48,38	46,89	45,51	?

Smelt- en kookpunten

He smeltpunt is de temperatuur waarbij een stof van de vaste fase overgaat in de vloeibare fase. Hte3 kookpunt van een stof is de temperatuur waarbij de dampdruk van de vloeistof gelijk is aan de druk op de vloeistof en de vloeibare fase overgaat in de dampfase.^[11]^[12] Als een metaal verhit wordt tot zijn smeltpunt zijn de metaalbindingen die de atomen op hun plaats houden zo verzwakt dat de atomen kunne gaan bewegen. Bij de kooktemperatuur van het metaal worden de metaalbindineg geheel verbroken.^[2]^[13] Het dalen van de smelt- en kooktemperatuur door de groep heen is een teken dat de metaalbinding van boven naar beneden gaand in het periodiek systeem steeds zwakker wordt.^[2]^[13]

Smelt- en kookpunten van de alkalimetalen^[3]^[5]
Name	Lithium	Natrium	Kalium	Rubidium	Cesium	Francium
Smeltpunt (°C)	180,54	97,72	63,38	39,31	28,44	?,000
Kookpunt (°C)	1342,00	883,00	759,00	688,00	671,00	?,000

Soortelijk gewicht

De alkalimetalen hebben allemaal dezelfde kristalstructuur, lichaamgecentreerde kubisch.^[14] De enige factor van belang voor de dichtheid is dan het feit: hoeveel atomen passen er in een gegeven volume en de massa van 1 atoom, want dichtheid of soortelijke massa is gedefinieerd als de massa per eenheid van volume. Hoeveel atomen er in een gegeven volume passen is afhakelik van het volume van een atoom wat op zijn beurt afhangt van de straal:

\mathrm {v_{atoom}\ =\ {\frac {4}{3}}\pi \,r_{atoom}^{3}}

De atoomstraal neemt naar beneden gaand in de kolom toe, dus het volume ook. Het zelfde geldt voor de atomaire massa's, die nemen ook van boven naar beneden toe. De atomaire massa nemen echter met een factor 19,2 toe (132,9/6,9 ≈ 19,2) terwijl het atoomvolume slechts met een factor van 5,3 toeneemt (77,95/14,71 ≈ 5,3). De massa neemt dus sneller toe dan het volume, het gevolg daarvan is dat de dichtheid stijgt.

Atoommassa, atoomvolume en dichtheid van de alkalimetalen^[3]^[5]
Name	Lithium	Natrium	Kalium	Rubidium	Cesium	Francium
Atoommassa^{[noot 1]}^[15]^[16]	6.94(1)^{[noot 2]}^[16]	22.98976928(2)	39.0983(1)	85.4678(3)	132.9054519(2)	[223]^{[noot 3]}^[15]^[16]
Atoomstraal (pm)	152	186	227	248	265	?
Atoomvolume (: $\mathrm {\ =\ {\frac {4}{3}}\pi \,r_{atoom}^{3}}$ (10⁶ pm³)	14,71	26,95	49,00	63,89	77,95	?
Soortelijke massa (g·cm⁻³)	0,534	0,968	0,89	1,532	1,93	?

Noten in de tekst

↑ De getallen tussen haakjes geven de standaard deviatie of meet-onnauwkeurigheid weer. De onzekerheid heeft betrekking op het minst significate cijfer in het getal voor de haakjes, dat wil zeggen, tellend van rechts naar links. Bijvoorbeeld ${\ce {1,794(7)}}$ staat voor ${\ce {1,794 \, \pm \, 0,007}}$ , de waarde ligt betrouwbaar tussen ${\ce {1,787}}$ en ${\ce {1,801}}$ en de notatie ${\ce {1,794(72)}}$ voor ${\ce {1,794 \, \pm \, 0,072}}$ : het betrouwbaarheidsinterval loopt van ${\ce {1,722}}$ tot ${\ce {1,866}}$ . Zie ook: Standard Uncertainty and Relative Standard Uncertainty. CODATA reference. National Institute of Standards and Technology.
↑ De genoemde waarde is de traditionele waarde, in zowel de handel als beroepsmatig bruibaar. De actuele waarde vertoont een spreiding van 6.938 tot 6.997 gram/mol afhankelijk van de isotopensamenstelling van het monster.
↑ Het element heeft geen stabiele isotopen, de waarde tussen blokhaken is de massa van het meest stabiele isotoop van het element.

Verwijzingen in de tekst

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 ^1,5 Royal Society of Chemistry. Visual Elements: Group 1 – The Alkali Metals. Visual Elements. Royal Society of Chemistry.
↑ ^2,00 ^2,01 ^2,02 ^2,03 ^2,04 ^2,05 ^2,06 ^2,07 ^2,08 ^2,09 Clark, Jim (2005). Atomic and Physical Properties of the Group 1 Elements. chemguide.
↑ ^3,0 ^3,1 ^3,2 ^3,3 ^3,4 ^3,5 ^3,6 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.) pag. 75, Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN: 978-0-08-037941-8
↑ (2003) Chemistry: The Central Science (8th) Uitgever: Pearson Education ISBN 978-0-13-061142-0
↑ ^5,0 ^5,1 ^5,2 ^5,3 ^5,4 ^5,5 (2007) Chemistry: Principles, Patterns, and Applications with Student Access Kit for Mastering General Chemistry (1st) Uitgever: Prentice Hall ISBN 978-0-8053-3799-0
↑ (2006) The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (3rd) p. 1729 Uitgever: Springer ISBN 978-1-4020-3555-5
↑ Deze tabel, en dus ook de waarden erin, is op 19 juni 2023 uit het lemma "Molar ionization energies of the elements" in de Engelstalige Wikipedia gekopieerd. De enige bewerking die erin heeft plaatsgevonden is het verwijderen van de kolom met de Engelse namen van de elementen en het verplaatsen van de paginalink <element> naar het symbool.
↑ Clark, Jim (2005). Reaction of the Group 1 Elements with Water. chemguide.
↑ Andreev, S.V.; Letokhov, V.S.; Mishin, V.I. (1987). Laser resonance photoionization spectroscopy of Rydberg levels in Fr. Phys. Rev. Lett. 59 (12): 1274–76. PMID: 10035190. DOI: 10.1103/PhysRevLett.59.1274.
↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Electronegativity". doi:10.1351/goldbook.E01990
↑ David E. Goldberg: (1988) 3,000 Solved Problems in Chemistry (1st) Uitgever: McGraw-Hill ISBN 978-0-07-023684-4 Section 17.43, page 321
↑ (1999) Pollution Prevention: The Waste Management Approach to the 21st Century p. 15 Section 27 Uitgever: CRC Press ISBN 978-1-56670-495-3
↑ ^13,0 ^13,1 Clark, Jim (2000). Metallic Bonding. chemguide.
↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.), Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN: 978-0-08-037941-8
↑ ^15,0 ^15,1 Wieser, Michael E.; Berglund, Michael (2009). Atomic weights of the elements 2007 (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 81 (11): 2131–2156 (International Union of Pure and Applied Chemistry). DOI: 10.1351/PAC-REP-09-08-03. Gearchiveerd van origineel op 9 oktober 2022. Geraadpleegd op 7 February 2012.
↑ ^16,0 ^16,1 ^16,2 Wieser, Michael E.; Coplen, Tyler B. (2011). Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem.]] 83 (2): 359–396 (International Union of Pure and Applied Chemistry). DOI: 10.1351/PAC-REP-10-09-14. Gearchiveerd van origineel op 9 oktober 2022. Geraadpleegd op 11 February 2012.

[15] De getallen tussen haakjes geven de standaard deviatie of meet-onnauwkeurigheid weer. De onzekerheid heeft betrekking op het minst significate cijfer in het getal voor de haakjes, dat wil zeggen, tellend van rechts naar links. Bijvoorbeeld ${\ce {1,794(7)}}$ staat voor ${\ce {1,794 \, \pm \, 0,007}}$ , de waarde ligt betrouwbaar tussen ${\ce {1,787}}$ en ${\ce {1,801}}$ en de notatie ${\ce {1,794(72)}}$ voor ${\ce {1,794 \, \pm \, 0,072}}$ : het betrouwbaarheidsinterval loopt van ${\ce {1,722}}$ tot ${\ce {1,866}}$ . Zie ook: Standard Uncertainty and Relative Standard Uncertainty. CODATA reference. National Institute of Standards and Technology.

[18] De genoemde waarde is de traditionele waarde, in zowel de handel als beroepsmatig bruibaar. De actuele waarde vertoont een spreiding van 6.938 tot 6.997 gram/mol afhankelijk van de isotopensamenstelling van het monster.

[19] Het element heeft geen stabiele isotopen, de waarde tussen blokhaken is de massa van het meest stabiele isotoop van het element.

[rsc-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 ^1,5 Royal Society of Chemistry. Visual Elements: Group 1 – The Alkali Metals. Visual Elements. Royal Society of Chemistry.

[chemguide-2] 2,00 ^2,01 ^2,02 ^2,03 ^2,04 ^2,05 ^2,06 ^2,07 ^2,08 ^2,09 Clark, Jim (2005). Atomic and Physical Properties of the Group 1 Elements. chemguide.

[Greenwood&Earnshaw_75-3] 3,0 ^3,1 ^3,2 ^3,3 ^3,4 ^3,5 ^3,6 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.) pag. 75, Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN: 978-0-08-037941-8

[shielding-4] (2003) Chemistry: The Central Science (8th) Uitgever: Pearson Education ISBN 978-0-13-061142-0

[generalchemistry-5] 5,0 ^5,1 ^5,2 ^5,3 ^5,4 ^5,5 (2007) Chemistry: Principles, Patterns, and Applications with Student Access Kit for Mastering General Chemistry (1st) Uitgever: Prentice Hall ISBN 978-0-8053-3799-0

[Uue-6] (2006) The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (3rd) p. 1729 Uitgever: Springer ISBN 978-1-4020-3555-5

[7] Deze tabel, en dus ook de waarden erin, is op 19 juni 2023 uit het lemma "Molar ionization energies of the elements" in de Engelstalige Wikipedia gekopieerd. De enige bewerking die erin heeft plaatsgevonden is het verwijderen van de kolom met de Engelse namen van de elementen en het verplaatsen van de paginalink <element> naar het symbool.

[alkaliwater-8] Clark, Jim (2005). Reaction of the Group 1 Elements with Water. chemguide.

[andreev-9] Andreev, S.V.; Letokhov, V.S.; Mishin, V.I. (1987). Laser resonance photoionization spectroscopy of Rydberg levels in Fr. Phys. Rev. Lett. 59 (12): 1274–76. PMID: 10035190. DOI: 10.1103/PhysRevLett.59.1274.

[definition-10] IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Electronegativity". doi:10.1351/goldbook.E01990

[11] David E. Goldberg: (1988) 3,000 Solved Problems in Chemistry (1st) Uitgever: McGraw-Hill ISBN 978-0-07-023684-4 Section 17.43, page 321

[12] (1999) Pollution Prevention: The Waste Management Approach to the 21st Century p. 15 Section 27 Uitgever: CRC Press ISBN 978-1-56670-495-3

[metallic-bonding-13] 13,0 ^13,1 Clark, Jim (2000). Metallic Bonding. chemguide.

[Greenwood&Earnshaw-14] Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.), Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN: 978-0-08-037941-8

[atomicweights2007-16] 15,0 ^15,1 Wieser, Michael E.; Berglund, Michael (2009). Atomic weights of the elements 2007 (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 81 (11): 2131–2156 (International Union of Pure and Applied Chemistry). DOI: 10.1351/PAC-REP-09-08-03. Gearchiveerd van origineel op 9 oktober 2022. Geraadpleegd op 7 February 2012.

[atomicweights2009-17] 16,0 ^16,1 ^16,2 Wieser, Michael E.; Coplen, Tyler B. (2011). Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem.]] 83 (2): 359–396 (International Union of Pure and Applied Chemistry). DOI: 10.1351/PAC-REP-10-09-14. Gearchiveerd van origineel op 9 oktober 2022. Geraadpleegd op 11 February 2012.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[noot 1]

[15]

[16]

[noot 2]

[noot 3]