Χρήσεις αλκαλίων

Ο όρος αλκαλιμέταλλα προέρχεται από την αντιδραστικότητα τους στο νερό. Περίπου το 0,03% του φλοιού της γης περιέχει άλλα αλκαλικά στοιχεία, όπως λίθιο, ρουβίδιο και καίσιο. Το Φράγκιο είναι ένα φυσικά ραδιενεργό ισότοπο που ανακαλύφθηκε το 1939.

Επειδή τα αλκαλιμέταλλα είναι αντιδραστικά, συνήθως βρίσκονται σε συνδυασμό με άλλα στοιχεία, γενικά εξάγουν και καθαρίζουν απλά ορυκτά όπως ο συλβίτης (KCl), ο αλίτης (NaCl) και ο καρναλλίτης (KCl MgCl2 6H2O). Ο φλοιός της γης περιέχει σημαντικά πιο πολύπλοκα, αδιάλυτα στο νερό ορυκτά. Η κατάλυση μετεωριτών παράγει αραιό αέριο νάτριο. Το ατομικό οξυγόνο και το όζον αντιδρούν με το νάτριο για να σχηματίσουν την «ουρά» ενός μετεωρίτη και μια διάχυτη νυχτερινή λάμψη. Υπάρχουν επίσης λίθιο και κάλιο, σε μικρότερες ποσότητες.

Τα μέταλλα έχουν ολκιμότητα, ασημί λάμψη και εξαιρετική ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα. Το λίθιο είναι το μικρότερο μέταλλο και το λίθιο έχει σημείο τήξης 179°C (354°F), ενώ το καίσιο έχει σημείο τήξης 28,5°C (83,3°F). Τα κράματα αλκαλιμετάλλων μπορεί να λιώσουν στους -78 °C (−109 °F).

Χρήσεις αλκαλιμετάλλων

Το νάτριο είναι το πιο σημαντικό αλκαλικό μέταλλο στη βιομηχανική εφαρμογή και το μέταλλο μειώνει τις οργανικές ενώσεις και παρασκευάζει αρκετές εμπορικές ενώσεις. Ορισμένοι πυρηνικοί αντιδραστήρες το χρησιμοποιούν ως ελεύθερο ρευστό μεταφοράς θερμότητας μετάλλων. Χρησιμοποιούμε εκατοντάδες χιλιάδες τόνους ενώσεων νατρίου κάθε χρόνο, όπως μαγειρική σόδα (NaHCO3), ανθρακικό νάτριο (Na2CO3), αλάτι (NaCl) και καυστική σόδα (NaOH). Το κάλιο είναι λιγότερο χρήσιμο ελεύθερο μέταλλο από το νάτριο. Ωστόσο, η παραγωγή λιπασμάτων απαιτεί μεγάλες ποσότητες αλάτων καλίου. Το λίθιο βρίσκεται σε κράματα ελαφρών μετάλλων και ως οργανική σύνθεση. Η ανάπτυξη ελαφρών μπαταριών είναι μια σημαντική χρήση του λιθίου. Οι κάμερες, τα κινητά τηλέφωνα και οι βηματοδότες χρησιμοποιούν πρωτεύουσες μπαταρίες λιθίου (μη επαναφορτιζόμενες) και οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες αποθήκευσης λιθίου για οχήματα ή αποθήκευση ενέργειας είναι ένα καυτό ερευνητικό θέμα. Ο ατμός μετάλλου καισίου βρίσκεται στα ατομικά ρολόγια, τα οποία είναι ακριβή χρονικά πρότυπα.

Ιστορικό

Οι αρχαίοι γνώριζαν τα άλατα των αλκαλιμετάλλων. Το νάτριο (ανθρακικό νάτριο) είναι ένα αλάτι που παρασκευάζεται από φυτική τέφρα και αναφέρεται στην Παλαιά Διαθήκη. Η εφεύρεση του συστατικού της πυρίτιδας, του άλατος (νιτρικό κάλιο), στην Κίνα τον 9ο αιώνα και εισήχθη στην Ευρώπη από τον 13ο αιώνα.

Ο Sir Humphry Davy, ένας Άγγλος επιστήμονας, ανακάλυψε το κάλιο και το νάτριο το 1807. Τα υδατικά διαλύματα τέφρας ξύλου είναι υδατικά διαλύματα νατρίου. Η λέξη νάτριο προέρχεται από την ιταλική σόδα, που χρησιμοποιήθηκε τον Μεσαίωνα για όλα τα αλκάλια.

Ο Johan August Arfwedson, ένας Σουηδός επιστήμονας, ανακάλυψε το λίθιο το 1817 ενώ μελετούσε τον πεταλίτη. Η ελληνική λέξη lithos προήλθε από λίθιο, που σημαίνει πέτρα, και ο Davy δημιούργησε μια ελάχιστη ποσότητα με ηλεκτρόλυση χλωριούχου λιθίου.

Ο Robert Bunsen και ο Gustav Kirchhoff δημιούργησαν ένα διήθημα με δύο γραμμές στο μπλε φάσμα το 1860. Πρότειναν την ύπαρξη ενός νέου αλκαλικού στοιχείου με το όνομα καίσιο, που προέρχεται από το λατινικό caesius, που σημαίνει μπλε του ουρανού. Μετά την εξαγωγή αλκαλίων από τον λεπιδολίτη, οι ίδιοι ερευνητές χώρισαν ένα άλλο διάλυμα με δύο κόκκινες φασματικές γραμμές. Ονόμασαν το στοιχείο σε αυτό το διάλυμα ρουβίδιο από τη λατινική λέξη για το σκούρο κόκκινο, rubidus. Ο Perey ανακάλυψε το φράγκιο το 1939 στο Ινστιτούτο Ραδίου του Παρισιού.

Το νάτριο ήταν ένα αντιδραστήριο τον 19ο αιώνα για την παραγωγή αλουμινίου. Όταν αναπτύχθηκε η ηλεκτρολυτική τεχνική για τον καθαρισμό του αλουμινίου, φάνηκε ότι η μεγάλης κλίμακας χρήση νατρίου θα τελείωνε. Ως αποτέλεσμα της τεχνολογικής προόδου στο ηλεκτρολυτικό νάτριο, το νάτριο είναι πλέον προσιτό για χρήση σε πρόσθετα βενζίνης, φαρμακευτικά προϊόντα, παραγωγή ζιζανιοκτόνων και φυτοφαρμάκων και παραγωγή αντιδραστηρίων διύλισης μετάλλων. Η τεχνολογία κυψελών Downs αντικατέστησε τη διαδικασία Castner για συνεχή ηλεκτρόλυση υδροξειδίου του νατρίου το 1926. Η ηλεκτρόλυση δημιουργεί μέταλλο νατρίου και χλώριο από τηγμένα μείγματα χλωριούχου νατρίου-χλωριούχου ασβεστίου.

Ποιες είναι οι χρήσεις των αλκαλιμετάλλων στην καθημερινή ζωή;

• Το λίθιο, το νάτριο και το κάλιο έχουν ένα ευρύ φάσμα χρήσεων, αλλά το ρουβίδιο και το καίσιο είναι χρήσιμα μόνο σε ακαδημαϊκά πλαίσια. Οι καθημερινές χρήσεις των αλκαλικών μετάλλων είναι:
• Οι μπαταρίες χρειάζονται λίθιο και το οξείδιο του λιθίου μπορεί να βοηθήσει στην επεξεργασία του πυριτίου.
• Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε λίθιο σε λιπαντικά γράσα, καθαρισμό αέρα και παραγωγή αλουμινίου.
• Η χρήση καθαρού νατρίου σε λαμπτήρες ατμών νατρίου παρέχει εξαιρετικά αποδοτικό φως.
• Το κάλιο είναι ζωτικής σημασίας για το βιολογικό σύστημα και το KCl είναι λίπασμα, ενώ το ΚΟΗ είναι συστατικό σαπουνιού.
• Τα φωτοηλεκτρικά κύτταρα χρησιμοποιούν καίσιο.

Η αντίδραση του μετάλλου των αλκαλίων με το νερό

Τα όξινα μέταλλα αντιδρούν με το νερό για να σχηματίσουν βασικά υδροξείδια και υδρογόνο και οι εξώθερμες μεταλλικές αντιδράσεις αυξάνουν την ενθαλπία από λίθιο σε καίσιο. Το αλκαλικό μέταλλο επιπλέει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.

Το κάλιο και το νάτριο είναι λιγότερο πυκνά από το νερό. Η ενθαλπία της αντίδρασης είναι μεγάλη σε βαρύτερα αλκαλικά μέταλλα, προκαλώντας τήξη και άνοδο της επιφάνειας. Από το λίθιο στο καίσιο, η αντίδραση του νερού γίνεται ταχύτερη, πιο εξώθερμη και περισσότερο από το λίθιο στο καίσιο, η αντίδραση του νερού γίνεται ταχύτερη, πιο εξώθερμη.

2M + 2H2O → 2M+ + 2OH– + H2

Το λίθιο έχει το υψηλότερο δυναμικό ηλεκτροδίων και ενέργεια ενυδάτωσης, καθιστώντας το πιο αντιδραστικό και εξώθερμο. Αντίθετα, το λίθιο αντιδρά με το νερό αργά και μη εκρηκτικά και έχει περιορισμένο ρυθμό διαλυτότητας και αντίδρασης λόγω της μεγαλύτερης ενέργειας ιονισμού και της ομοιοπολικής δομής του. Το καίσιο είναι μια ιοντική υδατοδιαλυτή ένωση.

Η ενθαλπία της αντίδρασης είναι μεγαλύτερη από τη λανθάνουσα θερμότητα της σύντηξης. Κατά συνέπεια, το καίσιο λιώνει σε υγρό και η διαδικασία επιταχύνεται. Τα αλκαλικά μέταλλα ενδέχεται να αντικαταστήσουν το υδρογόνο από αλκίνια, αμμωνία και αλκοόλη.

Συμπέρασμα

Τα αλκαλιμέταλλα έχουν υδροξείδια βασικών ή αλκαλικών μετάλλων. Οι ενώσεις είναι αλκαλικά μέταλλα επειδή σχηματίζουν αλκάλια, ισχυρές βάσεις που μπορεί να εξουδετερώσουν τα οξέα όταν αντιδρούν με νερό.

Η ηλεκτρονική διαμόρφωση των αλκαλιμετάλλων είναι [ευγενές αέριο] ns1. Είναι το πρώτο στοιχείο στην πρώτη στήλη του περιοδικού πίνακα. Το νάτριο (Na), το κάλιο (K), το ρουβίδιο (Ru), το καίσιο (Cs), το λίθιο (Li) και το φράγκιο (Fr) είναι αλκαλικά στοιχεία με περιόδους από ένα έως επτά. Το ραδιενεργό στοιχείο φράγκιο έχει σχετικά μικρό χρόνο ημιζωής.

Το υδρογόνο (Η) είναι αέριο σε κανονικές θερμοκρασίες και πιέσεις, επομένως δεν θεωρείται αλκαλικό μέταλλο. Υπό έντονη πίεση, το υδρογόνο μπορεί να εμφανίσει ποιότητες ή να μετατραπεί σε αλκαλικό μέταλλο.

Τα περισσότερα αλκαλικά μέταλλα έχουν πολλές χρήσεις. Τα ατομικά ρολόγια καισίου είναι η πιο ακριβής αναπαράσταση του χρόνου. Η λάμπα ατμών νατρίου είναι μια καθημερινή χρήση ενώσεων νατρίου—επιτραπέζιο αλάτι, γνωστό και ως χλωριούχο νάτριο, που χρησιμοποιείται από την αρχαιότητα.