در حال حاضر در اطراف شما فلزات قلیایی به فراوانی وجود دارند. سدیم در نمک خوراکی، لیتیوم در باتری گوشی و پتاسیم در موز وجود دارد.
فلزات قلیایی چیستند؟
فلزات قلیایی شش عنصر شیمیایی مختلف هستند که در ستون اول جدول تناوبی یافت می‌شوند: لیتیوم (Li)، سدیم (Na)، پتاسیم (K)، روبیدیم (Rb)، سزیم (Cs) و فرانسیم (Fr).
گروه فلزات قلیایی بخشی از بلوک S از عناصر جدول تناوبی است که همراه با هیدروژن، هلیوم، کلسیم و غیره، بیرونی‌ترین الکترون خود را در یک اوربیتال S دارند.
فلزات قلیایی فلزات نرمی هستند که با آب و اکسیژن واکنش‌پذیری بسیار بالایی دارند. آنها به قدری نرم هستند که می‌توانید آنها را با یک چاقوی پلاستیکی برش دهید. آنها همچنین دارای درخشش نقره‌ای هستند و رسانای عالی گرما و نور هستند.
چرا به آنها فلزات قلیایی می‌گویند؟
فلزات قلیایی (Alkali metals) به این دلیل به این نام خوانده می‌شوند که وقتی با آب واکنش می‌دهند، مواد به‌شدت قلیایی ایجاد می‌کنند. قلیایی‌بودن به pH ماده یا توانایی خنثی‌کردن اسید اشاره دارد. موادی که بسیار قلیایی هستند می‌توانند بازهای قوی تشکیل دهند که قادر به خنثی‌کردن اسیدها و حفظ یک سطح pH پایدار هستند.
فلزات قلیایی را نباید با فلزات قلیایی خاکی (alkaline earth metals) اشتباه گرفت.
خواص شیمیایی فلزات قلیایی
هر عنصری دارای یک هسته است که از پروتون و نوترون تشکیل شده است و فلزات قلیایی نیز از این قاعده مستثنی نیستند. اطراف هسته اتم‌ها، الکترون‌ها قرار دارند که ذراتی با بار منفی هستند. این الکترون‌ها در لایه‌های انرژی اطراف هسته اتم‌ها وجود دارند و هر کدام می‌توانند تعداد متفاوتی الکترون را در خود جای دهند. پوسته اول می‌تواند تا دو الکترون را در خود نگه دارد. دومین لایه تا هشت الکترون؛ سوم 18تا؛ و چهارمین لایه تا 32 الکترون می‌تواند در خود جای دهد. این لایه‌های الکترون‌ها و ساختار فلزات قلیایی است که آنها را بسیار واکنش‌پذیر می‌کند.
همه اتم‌ها به طور طبیعی می‌خواهند مجموعه کاملی از الکترون‌های بیرونی داشته باشند. با این حال، عناصر موجود در اولین ستون جدول تناوبی یعنی عناصر قلیایی، همه دارای یک الکترون در بیرونی‌ترین پوسته خود هستند. به این پوسته بیرونی، لایه ظرفیتی (valence shell) نیز گفته می‌شود و الکترون‌هایی که در آنجا قرار دارند، الکترون‌های ظرفیتی (valence electrons) نامیده می‌شوند.
واکنش‌پذیری بالا در مقابل کم
داشتن تنها یک الکترون ظرفیتی در بیرونی‌ترین لایه، رسیدن اتم‌های فلز قلیایی به نقاط پایداری را بسیار آسان می‌کند چرا که آنها فقط باید یک الکترون را از دست بدهند! این تمایل و سهولت از دست‌دادن یک الکترون برای رسیدن به حالت تعادل، به عنوان واکنش‌پذیری بالا شناخته می‌شود. در واقع، واکنش‌پذیری در شیمی با تعداد الکترون‌ها در بیرونی‌ترین لایه الکترونی تعریف می‌شود.
گازهای نجیب (عناصری مانند نئون و هلیوم) بسیار واکنش‌پذیر نیستند چرا که بیرونی‌ترین لایه‌های الکترونی آنها پر و تکمیل است. به همین دلیل است که شیمیدان‌ها در مورد اتم‌هایی که می‌خواهند به “پیکربندی گاز نجیب” دست یابند صحبت می‌کنند.
دکتر چیپ ناتارو، استاد شیمی در کالج لافایت در ایستون، پنسیلوانیا می‌گوید: “از آنجایی که فلزات قلیایی فقط یک الکترون ظرفیتی دارند، معمولاً با از دست‌دادن آن الکترون به این حالت یعنی پیکربندی گاز نجیب می‌رسند. در این فرآیند گفته می‌شود که فلز قلیایی، اکسید می‌شود و هر چیزی که الکترون را از فلز قلیایی بگیرد، کاهش می‌یابد. همه فلزات قلیایی دوست دارند الکترون تک‌ظرفیتی خود را از دست بدهند.
“از آنجایی که الکترون‌ها دارای بار ۱- هستند، از دست دادن یک الکترون باعث می‌شود اتم بار ۱+ داشته باشد. وقتی این اتفاق می‌افتد، آن اتم به عنوان یون شناخته می‌شود و از آنجایی که بار مثبت دارد، کاتیون نامیده می‌شود. بنابراین، همه فلزات قلیایی دوست دارند کاتیون‌هایی بسازند که بار 1+ دارند.”
فلزات قلیایی در طبیعت
از آنجایی که فلزات قلیایی به راحتی واکنش نشان می‌دهند، معمولاً همراه با سایر فلزات در طبیعت یافت می‌شوند. به عنوان مثال، کلرید سدیم (نمک خوراکی) و کربنات سدیم (خاکستر سودا) ترکیبات سدیمی هستند که به طور گسترده‌ای در دسترس هستند.
اگر عنصری بسیار واکنش‌پذیر باشد، یافتن شکل خالص آن در طبیعت دشوارتر است.
ناتارو می‌افزاید: «همه این عناصر ابتدا در ترکیبات کشف شدند [و] برخی از این اکتشافات به دلیل فراوانی و استفاده از ترکیبات آنها به سختی قابل ردیابی و نسبت‌دادن به فردی خاص هستند. ولی با پایین رفتن در جدول تناوبی (ستون عناصر قلیایی)، فلزات قلیایی تمایل بیشتری به از دست دادن الکترون ظرفیت خود پیدا می‌کنند و بنابراین، «مقدار آن عنصر در طبیعت نیز کاهش می‌یابد، [که این امر منجر به] کشف دیرتر آن عناصر شده است».
چه زمانی فلزات قلیایی کشف شدند؟
لیتیوم برای اولین بار در سال 1817 زمانی که یوهان آگوست آرفودسون (Johan August Arfwedson)، شیمیدان سوئدی، در حال تجزیه و تحلیل سنگ معدنی بود، کشف شد. سزیم و روبیدیم به ترتیب در سالهای 1860 و 1861 توسط شیمیدانان آلمانی رابرت بونسن (Robert Bunsen) (که نام مشعل بونسن از نام اون گرفته شده است) و گوستاو کیرشهوف (Gustav Kirchhoff) (که قوانین کیرشهوف را برای جریان الکتریکی ابداع کرد) کشف شدند. فرانسیم، واکنش‌پذیرترین فلز قلیایی که در حال حاضر می‌شناسیم، در سال 1939 توسط دانشمند فرانسوی مارگریت پری (Marguerite Perey) در موسسه کوری پاریس کشف شد.
سدیم و پتاسیم، دو فلز قلیایی بسیار رایج، تاریخ کشف ناشناخته‌ای دارند، زیرا برای مدت طولانی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اما دانشمندان نتوانستند عناصر خالص آنها را تا زمان شیمیدان معروف همفری دیوی (Humphrey Davy) در سال 1807 جدا کنند. روبیدیم نیز تا سال 1928 توسط بونسن و کیرشهوف جدا نشد.
فلزات قلیایی به شدت با آب و هوا واکنش نشان می‌دهند. این عناصر به دلیل تولید گاز هیدروژن در هنگام واکنش جلز و ولز می‌کنند و اغلب منفجر می‌شوند. آنها هر چه به پایین‌تر جدول تناوبی بروید، واکنش‌پذیرتر می‌شوند، به طوری که سزیم و فرانسیم آنقدر واکنش‌پذیر هستند که می‌توانند به سادگی با قرار گرفتن در معرض هوا شعله‌ور شوند. همچنین با حرکت به سمت پایین جدول تناوبی، شعاع اتمی این عناصر افزایش می‌یابد، الکترونگاتیوی آنها کاهش می‌یابد و نقطه ذوب و جوش آنها کاهش می‌یابد.
ممکن است تعجب کنید که اگر فلزات قلیایی به این شدت نسبت به هوا و آب واکنش نشان می‌دهند، چگونه در طبیعت کشف شده‌اند. خب، همانطور که مشخص است، بیشتر فلزات قلیایی به دلیل تمایل زیاد آنها به واکنش و از دست‌دادن آن یک الکترون ظرفیتی، به صورت یون در طبیعت یافت می‌شوند. در شکل یونی، فلزات واکنش‌پذیری بسیار کمتری دارند.
فلزات قلیایی در زندگی روزمره
فلزات قلیایی دوگانگی شیمیایی جالبی دارند، زیرا در زندگی روزمره بسیار رایج هستند، اما در اشکال عنصری خام خود بسیار نایاب هستند.
به عنوان مثال، یون‌های پتاسیم و سدیم مواد مغذی ضروری هستند. به عنوان الکترولیت، آنها فشار خون و تعادل مایعات را در بدن تنظیم می‌کنند. شما نمی‌توانید اتم‌های خالص سدیم را در فروشگاه خریداری کنید، اما می‌توانید آن را در بسیاری از غذاها و همچنین در نمک خوراکی (کلرید سدیم)، جوش شیرین (بی‌کربنات سدیم) و سود سوزآور (سدیم هیدروکسید) پیدا کنید.
نمک‌های پتاسیم (کلرید پتاسیم) را می‌توان برای درمان پتاسیم پایین خون استفاده کرد و یک عنصر مهم در کودهای کشاورزی است. از هیدروکسید پتاسیم در ساخت صابون استفاده می‌شود. نیترات پتاسیم (شوره) برای تهیه باروت استفاده می‌شد و اتفاقاً یک نگهدارنده عالی برای مواد غذایی است که مسئول ایجاد رنگ صورتی در هات‌داگ و سایر گوشت‌های فرآوری‌شده است.
لیتیوم در تولید باتری، و نمک‌های لیتیوم به عنوان یک داروی تثبیت‌کننده خلق و خو استفاده می‌شود.
عناصر واکنش‌پذیرتر یعنی سزیم، روبیدیم و فرانسیم، کاربردهای طبیعی کمتری دارند. سزیم در ساعت‌های اتمی، حفاری و ایجاد شیشه‌های نوری و دیگر کاربردهای بسیار تخصصی استفاده می‌شود. روبیدیم در تصویربرداری پزشکی و لوله‌های خلاء استفاده می‌شود. فرانسیوم، که بسیار نادر است، کاربرد تجاری زیادی ندارد اما در تحقیقات و برای تشخیص برخی از انواع سرطان استفاده می‌شود.
در نهایت، تمام فلزات قلیایی نیز ابزار آموزشی فوق‌العاده مفیدی در رشته شیمی هستند. معلمان دوست دارند اصل واکنش‌پذیری را با انداختن یک فلز قلیایی در آب به نمایش بگذارند تا کلاس با هیبت شاهد آتش‌زدن و انفجار آن باشد.
این یکی رادیواکتیو است!
فرانسیم نادرترین فلز قلیایی و دومین عنصر کمیاب در پوسته زمین است (تخمین زده می‌شود که تنها 340-550 گرم یا حدود 1 پوند در پوسته زمین از آن وجود داشته باشد). همچنین بسیار پرتوزا است و حداکثر عمر آن تنها 22 دقیقه است. فرانسیم هرگز در آب ریخته نشده است، زیرا بسیار کمیاب و گران است، اما دانشمندان انتظار دارند که بالاترین واکنش را نسبت به هر فلز قلیایی دیگری داشته باشد.
سوالات متداول
فلزات قلیایی چیست؟
فلزات قلیایی گروهی از عناصر جدول تناوبی با خواص مشابه هستند: همه آنها فلزاتی براق، نقره ای-سفید و بسیار واکنش‌پذیر هستند. فلزات قلیایی عبارتند از لیتیوم (Li)، سدیم (Na)، پتاسیم (K)، روبیدیم (Rb)، سزیم (Cs) و فرانسیم (Fr).
منبع: howstuffworks.com
