알칼리 금속
다른 표기 언어 alkali metal요약 주기율표에서 Ⅰ족에 속하는 금속 원소의 총칭.
정의
리튬(Li)·소듐(Na)·포타슘(K)·루비듐(Rb)·세슘(Cs)·프랑슘(Fr)이 여기에 속한다. 이 원소들은 반응성이 매우 크기 때문에 유리된 금속(→ 주기율).
일반적 성질
물리적 성질
금속은 일반적으로 열전도도와 전기전도도가 크고 광택이 나며 연성과 전성이 좋다. 알칼리 금속도 이와 같은 금속의 특성을 나타낸다. 원자의 최외각에 1개의 전자만을 갖고 있으므로 원자가는 ＋1이다. 원자량이 증가할수록 최외각 전자는 핵과 더욱 느슨하게 결합되어 있기 때문에 이온화 에너지는 감소한다(→ 원자가전자).
전기음성도는 0.7~1로 주기율표의 원소 중에서 가장 작으며, 할로젠 원소들과 이온 결합을 한다. 표에 알칼리 금속의 중요한 물리적·열역학적 성질을 나타냈으며, 원자량의 증가에 따라 규칙적인 변화를 볼 수 있다. 이들 금속 원소들은 모두 체심입방 결정구조이며, 동일한 결정구조를 갖는 다른 금속들에 비해 결정배열이 느슨하다. 또한 원자들간의 거리는 원자량이 증가할수록 커지며, 그 결합력도 약해진다.
녹는점은 179℃(리튬)에서 28.5℃(세슘)까지로 다른 금속에 비해 상당히 낮으며, 원자량이 증가할수록 녹는점은 낮아진다. 이는 결정 내의 원자간의 거리가 길고 결합력이 약하기 때문이다(→ 결정격자). 그림은 알칼리 금속의 증기압을 나타낸 것으로 원자량이 증가할수록 증기압도 증가한다. 끓는점은 원자번호가 증가할수록 낮아진다.
| 리튬 | 나트륨 | 칼륨 | 루비듐 | 세슘 | 프랑슘 | |
| 원자번호 | 3 | 11 | 19 | 37 | 55 | 87 |
| 원자량 | 6.94 | 22.99 | 39.1 | 85.47 | 132.91 | (223) |
| 원소의 색 | 은색 | 은색 | 은색 | 은색 | 은색 | - |
| 녹는점(℃) | 179 | 97.8 | 63.65 | 38.89 | 28.5 | - |
| 끓는점(℃) | 1317 | 892 | 753.9 | 688 | 671 | - |
| 20℃에서 밀도(g/㎤) | 0.534 | 0.97 | 0.862 | 1.53 | 1.89 | - |
| 녹을 때의 부피증가(%) | 1.51 | 2.63 | 2.81 | 2.54 | 2.66 | - |
| 원자가 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 전자배열 | 1s22s1 | 1s22s2sp63s1 | (Ar)4s1 | (Kr)5s1 | (Xe)6s1 | (Rn)7s1 |
| 동위원소 존재비(지각, %) | 7Li(92.6), 6Li(7.4) | 23Na(100) | 39K(93.1), 41k(6.88), 40k(0.0119) | 85Rb(72.15), 87Rb(27.85) | 133Cs(100) | - |
| 불꽃반응색 | 빨간색 | 노란색 | 보라색 | 암적색 | 파란색 | - |
| 주요 방출 스펙트럼선(파장, Å) | 6708, 6104 | 5890, 5896 | 7699, 7665 | 4216, 4202 | 4593, 4555 | - |
| 융해열(㎈/㏖) | 690 | 622 | 598 | 540 | 520 | - |
| 비열(액체, ㎈/g℃) | 1.05 | 0.33 | 0.188 | 0.0880 | 0.0572 | - |
| 0℃에서의 전기저항(㎕㎝) | 8.55 | 4.2 | 6.15 | 2.5 | 20.0 | - |
| 자가화율(cgs단위) | 14.2x10-6 | 16.0x10-6 | 20.8x10-6 | 17.0x10-6 | 29.0x10-6 | - |
| 결정구조 | BCC1)각주1) | BCC1)각주2) | BCC1)각주3) | BCC1)각주4) | BCC1)각주5) | - |
| 반지름 | ||||||
| 원자(Å) | 1.52 | 1.85 | 2.31 | 2.44 | 2.62 | - |
| 이온(M+,Å) | 0.68 | 0.97 | 1.33 | 1.47 | 1.67 | 1.80 |
| 금속(단일결합, Å) | 1.225 | 1.572 | 2.025 | 2.16 | 2.35 | - |
| 이온화에너지 (1차, ㎉/㏖) | 124.3 | 118.4 | 100 | 96.3 | 89.7 | - |
| 25℃에서의 산화전위 (M→M++e-, V) | 3.04 | 2.71 | 2.92 | 2.92 | 2.92 | - |
| 전기음성도 | 1.0 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | 0.7 |
화학적 성질
전기음성도가 작아 여러 비금속과 반응을 잘한다. ① 산소와의 반응：알칼리 금속은 산소와 반응하는데 리튬과 소듐은 일산화물을 형성하고 이보다 더 무거운 원소는 과산화물을 형성한다. 반응속도는 금속원소의 상과 혼합정도에 따라 달라진다(→ 산화물, 무기화합물). ② 물과의 반응：물과 맹렬히 반응하여 알칼리 금속의 수산화물을 형성하며 수소 기체가 발생한다. 이 반응은 발열반응이며, 반응속도는 원자량이 증가할수록 증가한다. ③ 비금속과의 반응：알칼리 금속 중 리튬만이 질소와 반응하여 질소화물(Li3N)을 형성하고, 모든 원소는 공기 중에서 할로젠 원소들과 반응하여 할로젠 화합물을 형성하며, 이 반응은 발열반응이다. ④ 합금의 형성：원자부피가 비슷한 원소들끼리는 고용체를 만들고, 원자부피가 다른 원소끼리는 함께 녹는 계를 형성한다.
알칼리금속의 분석화학
리튬은 유기 질소 화합물인 피크롤론산을 이용하여 분리할 수 있으며, 색반응을 일으키는 아조염료로 검출할 수 있다. 소듐은 아세트산우라닐을 이용한 침전법으로 확인되며, 코발트를 포함하고 있는 아질산 용액을 사용하여 소듐과 포타슘의 혼합물에서 포타슘을 분리할 수 있다. 루비듐과 세슘은 불꽃분광이나 빛의 방출법으로 분석할 수 있다. 불꽃 광도측정계로 수ppm의 알칼리 금속을 검출할 수 있다. 방출되는 특정 파장의 빛을 측정하면 미량의 금속을 분석할 수 있다. 알칼리 금속이 산소·질소 등의 비금속 원소들과 존재할 때 여기에서 알칼리 금속을 분석하기 위해서는 특수한 기술을 필요로 한다. 소듐과 포타슘 내의 산소 함량은 수은과의 반응으로 분석할 수 있으며, 알칼리 금속의 탄소함량은 순수한 산소와의 산화반응에 의해 생성된 이산화탄소를 적외선분광기로 측정·분석할 수 있다.
종류
리튬
리튬은 염화리튬과 염화포타슘의 용융혼합물을 전기분해하여 얻는다.
2개의 동위원소가 있는데, 그중 리튬-6(6Li)은 중성자를 포격시켜 삼중수소 기체를 생산한다. 반응성이 크므로 야금산업에서 금속을 정련할 때 불순물을 제거하는 스캐빈저로 사용된다. 유기 리튬 화합물은 그리냐르 반응과 마찬가지로 유기합성 반응에 이용된다. 7Li은 가장 안정한 동위원소로 원자핵반응 단면적이 작으며, 원자로의 냉각제로 사용된다. 리튬은 신체의 염분 평형에 영향을 미치지만 독성이 크지는 않다.
소듐(나트륨)
알칼리 금속 중 가장 풍부하게 존재하며, 염화소듐을 전기분해하여 얻는다.
사에틸납을 제조할 때와 합성세제의 성분인 황산알킬소듐을 제조할 때에 사용되며, 열전달능력이 뛰어나 고속 중성자로의 냉각제로 사용된다. 공기와 매우 쉽게 반응하며, 고체보다 액체일 때 반응성이 더 크다. 물과 폭발적으로 반응하여 상당한 열을 발생시킨다. 순수한 소듐은 100℃에서 수소를 흡수할 수 있으며 온도가 증가함에 따라 흡수속도가 증가한다. 또 할로젠 기체와 반응해 빛을 낸다. 한편 액체 암모니아에 녹아 짙은 푸른색의 용액을 만들며 서서히 반응하여 소다아미드(NaNH2)를 만들며 수소를 발생시킨다.
할로젠과의 반응성이 크기 때문에 할로젠 이탈반응에 널리 응용된다.
포타슘(칼륨)
포타슘은 용융된 염화포타슘을 870℃에서 소듐으로 환원하여 얻는다.
포타슘은 건조한 공기와 반응하여 과산화물을 형성하는데, 이것은 산소를 발생시키고 이산화탄소를 흡수하기 때문에 호흡 장치에서 산소의 공급원으로 사용된다. 60℃ 정도의 낮은 온도에서 일산화탄소와 반응하여 헥사히드록시벤젠의 유도체인 폭발성 카르보닐(K6C6O6)을 만든다. 질소와 반응하지 않기 때문에 질소 기체하에서 저장한다. 액체 브로민과 접촉하면 폭발하며, 금속의 할로젠화물의 염이나 유기 할로젠 화합물과 섞여도 폭발할 수 있다.
포타슘은 2개의 안전한 동위원소인 포타슘-39(39K)와 포타슘-40(40K)이 있다. 한편 포타슘은 모든 생명체에서 필수적인 성분으로 유기체들은 거의 일정한 포타슘 농도를 포함하고 있으며 과량의 포타슘은 소변과 땀으로 배출된다.
루비듐과 세슘
이 두 원소는 물리적·화학적 성질이 매우 유사하다.
레피도라이트로부터 리튬염을 추출할 때 부산물로 얻어지는 혼합 탄산염에 약 23%의 탄산루비듐과 3%의 탄산세슘이 포함되어 있는데 이 혼합 탄산염을 직접 소듐으로 환원시켜 이들 원소를 얻는다. 루비듐은 상업적 용도가 거의 없으나 세슘은 로켓 연료로 사용될 수 있다. 이 두 원소는 공기 중에서 자발적으로 반응하여 노란색의 과산화물(RbO2)과 붉은색의 과산화세슘(CsO2)을 만들며, 또한 수은과 반응하여 아말감을 형성한다. 루비듐은 천연에 2개의 동위원소인 루비듐-85(85Rb, 72％)와 루비듐-37(37Rb, 28％, 반감기는 6×1011년)로, 세슘은 세슘-133(133Cs)으로 산출되는데 인공 핵반응에 의해 반감기가 짧은 동위원소가 생길 수 있다.
프랑슘
멘델레예프에 의해 주기율표에서 예견된 원소로 반감기가 22분(223Fr)인 방사성 원소이다.
19가지의 동위원소가 보고되었는데 이들 원소의 생물학적·화학적 정보는 거의 없다.