Ci sono metalli alcalini intorno a te in questo momento. Il sodio si trova nel sale da cucina, il litio nella batteria del telefono e il potassio nelle banane.
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I metalli alcalini sono i sei diversi elementi chimici presenti nella prima colonna della tavola periodica:litio (Li), sodio (Na), potassio (K), rubidio (Rb), cesio (Cs) e francio (Fr).
Il gruppo dei metalli alcalini fa parte del blocco S degli elementi della tavola periodica che, insieme all'idrogeno, all'elio, al calcio e ad altri, hanno il loro elettrone più esterno in un orbitale S.
I metalli alcalini sono metalli teneri altamente reattivi con acqua e ossigeno. Sono così morbidi che puoi tagliarli con un coltello di plastica. Hanno anche una lucentezza simile all'argento e sono ottimi conduttori di calore e luce.
I metalli alcalini sono così chiamati perché quando reagiscono con l'acqua, creano sostanze altamente alcaline. L'alcalinità si riferisce al pH della sostanza o alla capacità di neutralizzare l'acido. Le sostanze altamente alcaline possono formare basi forti in grado di neutralizzare gli acidi e mantenere un livello di pH stabile.
I metalli alcalini non devono essere confusi con i metalli alcalino terrosi.
Ogni elemento ha un nucleo, formato da protoni e neutroni, e i metalli alcalini non sono diversi. Intorno al nucleo degli atomi ci sono gli elettroni, che sono particelle con carica negativa. Questi elettroni esistono in gusci energetici attorno al nucleo degli atomi, ciascuno dei quali può contenere un numero variabile di elettroni. Il primo guscio può contenere fino a due elettroni; il secondo fino a otto; il terzo, 18; e il quarto, 32. Sono questi gusci di elettroni e il modo in cui sono strutturati i metalli alcalini che li rendono così reattivi.
Tutti gli atomi vogliono naturalmente avere un set completo di elettroni esterni. Tuttavia, gli elementi della prima colonna della tavola periodica hanno tutti un elettrone nel loro guscio più esterno. Questo guscio esterno è anche chiamato guscio di valenza e gli elettroni che vi risiedono sono chiamati elettroni di valenza.
Avere un solo elettrone di valenza nel guscio più esterno rende molto facile per gli atomi dei metalli alcalini raggiungere punti di stabilità:devono solo perdere un elettrone! Questa volontà e facilità di perdere un elettrone per raggiungere uno stato di equilibrio è nota come alta reattività. Infatti, la reattività in chimica è definita dal numero di elettroni nel guscio più esterno.
I gas nobili (elementi come neon ed elio) non sono molto reattivi perché i loro gusci elettronici più esterni sono pieni. Ecco perché i chimici parlano di atomi che vogliono raggiungere una "configurazione di gas nobile".
"Poiché i metalli alcalini hanno solo un elettrone di valenza, in genere raggiungono questo stato cedendo quell'elettrone. In questo processo, si dice che il metallo alcalino sia ossidato e tutto ciò che prende l'elettrone dal metallo alcalino viene ridotto. Tutti i metalli alcalini ai metalli alcalini piace rinunciare al loro singolo elettrone di valenza", afferma il dottor Chip Nataro, professore di chimica al Lafayette College di Easton, Pennsylvania.
"Poiché gli elettroni hanno una carica pari a -1, la perdita di un elettrone fa sì che l'atomo abbia una carica pari a +1. Quando ciò accade, l'atomo viene chiamato ione e poiché avrebbe una carica positiva, viene chiamato catione . Quindi, tutti i metalli alcalini tendono a formare cationi con una carica pari a +1."
Poiché i metalli alcalini reagiscono facilmente, di solito si trovano insieme ad altri metalli in natura. Ad esempio, il cloruro di sodio (sale da cucina) e il carbonato di sodio (carbonato di sodio) sono composti di sodio ampiamente disponibili.
Se un elemento è altamente reattivo, è più difficile trovare la sua forma pura in natura.
"Tutti questi elementi sono stati scoperti per la prima volta in composti [e] alcune scoperte sono difficili da attribuire a causa dell'abbondanza e dell'utilizzo dei composti", afferma Nataro. "Man mano che si scende lungo la tavola periodica, i metalli alcalini diventano più inclini a perdere il loro elettrone di valenza" e quindi "anche la quantità dell'elemento trovato in natura diminuisce, [con conseguente] date di scoperta successive."
Il litio fu scoperto per la prima volta nel 1817 quando Johan August Arfwedson, un chimico svedese, stava analizzando il minerale. Il cesio e il rubidio furono scoperti rispettivamente nel 1860 e nel 1861 dai chimici tedeschi Robert Bunsen (che prestò il suo nome al becco Bunsen) e Gustav Kirchhoff (che ideò le leggi di Kirchhoff per la corrente elettrica). Il francio, il più reattivo dei metalli alcalini attualmente conosciuti, fu scoperto nel 1939 dalla scienziata francese Marguerite Perey presso l'Istituto Curie di Parigi.
Il sodio e il potassio, due metalli alcalini molto comuni, hanno date di scoperta sconosciute perché sono stati utilizzati per così tanto tempo. Ma gli scienziati non furono in grado di isolare gli elementi puri fino al famoso chimico Humphrey Davy nel 1807. Il rubidio fu isolato solo nel 1928, sempre da Bunsen e Kirchhoff.
I metalli alcalini reagiscono vigorosamente all'acqua e all'aria. Questi elementi danzeranno, sfrigolando a causa della produzione di gas idrogeno e spesso esploderanno. Diventano più reattivi man mano che si scende nella tavola periodica, con il cesio e il francio che sono così reattivi che possono prendere fuoco semplicemente se esposti all'aria. Gli elementi aumentano anche il raggio atomico, diminuiscono l'elettronegatività e diminuiscono i punti di fusione e di ebollizione man mano che si scende nella tavola periodica.
Potresti chiederti come mai i metalli alcalini siano stati scoperti in natura se reagiscono così violentemente all'aria e all'acqua. Ebbene, a quanto pare, la maggior parte dei metalli alcalini si trovano in natura come ioni a causa del loro elevato desiderio di reagire e perdere quell'elettrone di valenza. Nella loro forma ionica i metalli sono molto meno reattivi.
I metalli alcalini hanno un'interessante dualità chimica, perché sono molto comuni nella vita di tutti i giorni ma anche molto rari nelle loro forme elementari grezze.
Ad esempio, gli ioni potassio e sodio sono nutrienti essenziali; come elettroliti, regolano la pressione sanguigna e l'equilibrio dei liquidi nel corpo. Non puoi acquistare atomi di sodio puri in negozio, ma puoi trovarli in molti alimenti, nonché nel sale da cucina (cloruro di sodio), nel bicarbonato di sodio (bicorbonato di sodio) e nella lisciva (idrossido di sodio, ovvero soda caustica).
I sali di potassio (cloruro di potassio) possono essere utilizzati per trattare i bassi livelli di potassio nel sangue e sono un ingrediente importante nei fertilizzanti commerciali. L'idrossido di potassio viene utilizzato nelle soluzioni di sapone. Il nitrato di potassio (salnitro) veniva utilizzato per produrre la polvere da sparo e, tra l'altro, è un eccellente conservante alimentare, responsabile di conferire agli hot dog e ad altre carni lavorate la loro tonalità rosa.
Il litio viene utilizzato nella produzione di batterie e i sali di litio vengono utilizzati come farmaco stabilizzante dell'umore.
Gli elementi più reattivi, cesio, rubidio e francio, hanno meno usi naturali. Il cesio viene utilizzato negli orologi atomici, nella perforazione e nella creazione del vetro ottico, oltre ad altre applicazioni altamente specializzate. Il rubidio è utilizzato nell'imaging medico e nei tubi a vuoto. Il francio, che è molto raro, non ha molte applicazioni commerciali ma viene utilizzato nella ricerca e per diagnosticare alcune forme di cancro.
Infine, tutti i metalli alcalini sono strumenti didattici incredibilmente utili anche nel campo della chimica. Gli insegnanti adorano dimostrare il principio della reattività lasciando cadere un metallo alcalino nell'acqua solo per far sì che la classe guardi con stupore mentre sputa fuoco ed esplode.
Questo è radioattivo!Il francio è il più raro dei metalli alcalini e il secondo elemento più raro nella crosta terrestre (si stima che nella crosta terrestre siano presenti solo 340-550 grammi o circa 1 libbra). Inoltre è altamente radioattivo e ha una durata massima di soli 22 minuti. Il francio non è mai stato lasciato cadere nell'acqua, perché è così raro e costoso, ma gli scienziati si aspettano che abbia la reazione più alta di qualsiasi altro metallo alcalino.
