فلزات قلیایی | بررسی کامل گروه اول جدول تناوبی
فلزات قلیایی، از مهم‌ترین و واکنش‌پذیرترین عناصر جدول تناوبی هستند که در ستون اول آن جای گرفته‌اند و به فلز های اصلی معروف اند. این عناصر در شیمی معدنی و صنعتی اهمیت زیادی دارند و شناخت ویژگی‌های آنها برای درک بهتر رفتار شیمیایی عناصر ضروری است.
کشف فلزات قلیایی به قرون ۱۸ و ۱۹ 📜 میلادی بازمی‌گردد. در آن زمان، شیمیدانان با استفاده از فرآیند الکترولیز، عناصر ناشناخته‌ای را از ترکیبات معدنی استخراج کردند. اولین فلز قلیایی کشف‌شده پتاسیم بود که در سال ۱۸۰۷ توسط سر همفری دیوی (Sir Humphry Davy) از پتاس به دست آمد. دیوی بعدها موفق به استخراج سدیم نیز شد. سپس دیگر عناصر این گروه به مرور کشف شدند، البته برخی مانند لیتیم در مواد معدنی شناخته شده بودند، اما به‌صورت خالص در دسترس نبودند.
نام «فلزات قلیایی» از خاصیت این عناصر در واکنش با آب🥤 گرفته شده است. آنها هنگام تماس با آب، محلول‌های قلیایی (باز) تشکیل می‌دهند و گاز هیدروژن آزاد میکنند. همین واکنش‌پذیری شدید، باعث شد این گروه از عناصر به این نام شناخته شوند (همچنین آنها را به عنوان عناصر خانواده لیتیم نیز می‌شناسند).
در ادامه این مقاله به بررسی جامع و علمی فلزات قلیایی خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید تا بدانید فلزات قلیایی چه هستند، چه ویژگی‌هایی دارند، چگونه رفتار میکنند، چه کاربردهایی دارند و در علم امروز چه نقشی ایفا میکنند.
فلزات قلیایی چیستند؟
فلزات قلیایی شامل شش عنصر شیمیایی فعال هستند که در گروه اول جدول تناوبی قرار دارند:
◾ لیتیم (Li)
◾ سدیم (Na)
◾ پتاسیم (K)
◾ روبیدیم (Rb)
◾ سزیم (Cs)
◾ فرانسیم (Fr)
این عناصر همگی در دسته S (دسته S دارای ۱۴ عنصر است و عنصر ها در دوره ۱ تا ۷ و گروه های ۱ و ۲ و ۱۸ قرار دارند) جدول تناوبی جای دارند و زیرمجموعه دسته‌ی فلزات فعال هستند. آرایش الکترونی آنها به شکل ns¹ است، به این معنی که یک الکترون در لایه‌ی آخر (ظرفیت) دارند. این آرایش باعث می‌شود به راحتی این الکترون را از دست بدهند و به یون‌های مثبت تک‌بار (⁺M) تبدیل شوند. به دلیل این آرایش، فلزات قلیایی تمایل زیادی به واکنش با عناصر الکترون‌پذیر مانند اکسیژن و هالوژن‌ها دارند. به‌همین علت، در طبیعت به‌صورت خالص یافت نمی‌شوند و بیشتر در قالب ترکیبات یونی (مثل کلریدها، سولفات‌ها و نیترات‌ها) دیده می‌شوند.
‼ فلزات قلیایی به دلیل قرار گرفتن در گروه ۱ می‌توانند در پایین ترین حالت عدد اکسایش صفر و در بالا ترین حالت عدد اکسایش ۱ را داشته باشند.
برای سفارش انواع فلزات قلیایی، از فروشگاه سیلور شیمی بازدید کنید:
خواص فیزیکی و شیمیایی فلزات قلیایی
| ویژگی | توضیحات |
|---|---|
| حالت در دمای اتاق | جامد (نرم و قابل برش با چاقو) |
| رنگ | نقره‌ای تا خاکستری روشن |
| چگالی | پایین |
| نقطه ذوب | پایین |
| رسانایی الکتریکی | بسیار بالا |
| واکنش‌پذیری | بسیار بالا به ویژه با آب |
| آرایش الکترونی | ns¹ (یک الکترون در لایه ظرفیت) |
| نوع پیوند | یونی در ترکیبات |
| عدد اکسایش غالب | ۱+ |
ویژگی‌های مشترک فلزات قلیایی
فلزات قلیایی دارای ویژگی‌های مشترکی هستند که در ادامه به آنها اشاره می‌کنیم:
✅ آرایش الکترونی مشابه:
همه فلزات قلیایی دارای آرایش ns¹ هستند، یعنی تنها یک الکترون در لایه ظرفیت دارند. این ویژگی باعث واکنش‌پذیری بالا و تمایل زیاد به از دست دادن الکترون و تشکیل یون مثبت می‌شود.
✅ نقطه ذوب و جوش پایین:
این عناصر نسبت به دیگر فلزات، نقطه ذوب و جوش🌡 پایینی دارند. این موضوع به دلیل پیوندهای فلزی ضعیف بین اتم‌ها در ساختار جامد آن‌هاست.
✅ نرم بودن:
این فلزات به‌قدری نرم هستند که حتی می‌توانند با چاقو 🔪 بریده شوند (مخصوصاً لیتیم، سدیم و پتاسیم).
✅ چگالی پایین:
چگالی آنها در مقایسه با سایر فلزات کمتر است (چگالی لیتیم، سدیم و پتاسیم از چگالی آب کمتر است).
✅ فعالیت شیمیایی بسیار بالا:
واکنش سریع با آب، اکسیژن و هالوژن‌ها از ویژگی‌های بارز آن‌هاست.(به خصوص با آب، که همراه با تولید گرما و گاز هیدروژن است و محلولی قلیایی تشکیل می‌دهند)
✅ ظاهر نقره‌ای و درخشان (در حالت تازه برش خورده):
سطح تازه برش خورده این فلزات بسیار براق و فلزی است، اما به‌سرعت با اکسیژن یا رطوبت هوا واکنش داده و تیره می‌شود.
فیلم واکنش فلزات قلیایی با آب
⚠️ هشدار مهم: این آزمایش را در خانه انجام ندهید!
واکنش فلزات قلیایی با آب بسیار شدید، انفجاری و خطرناک است و گازهای داغ و مواد خورنده تولید می‌کند. انجام این آزمایش تنها باید در محیط‌های کاملاً کنترل‌شده آزمایشگاهی و تحت نظارت متخصصان آموزش‌دیده صورت گیرد. هرگونه تقلید از این آزمایش در شرایط خانگی یا بدون تجهیزات ایمنی، می‌تواند منجر به سوختگی شدید، انفجار یا آسیب‌های جبران‌ناپذیر شود.
روند دوره‌ای خواص فلزات قلیایی
با حرکت از بالا به پایین در گروه اول جدول تناوبی، تغییراتی در خواص فیزیکی و شیمیایی فلزات قلیایی رخ می‌دهد:
📌 افزایش شعاع اتمی:
با افزایش عدد اتمی، تعداد لایه‌های الکترونی نیز افزایش می‌یابد، در نتیجه شعاع اتمی بزرگ‌تر می‌شود.
📌 افزایش واکنش‌پذیری:
واکنش‌پذیری با آب و هالوژن‌ها از بالا به پایین افزایش می‌یابد(به دلیل افزایش فاصله الکترون ظرفیت از مرکز هسته). سزیم و روبیدیم در تماس با آب فوراً منفجر می‌شوند.
پس با پایین رفتن در جدول تناوبی، فلزات قلیایی تمایل بیشتری به از دست دادن الکترون ظرفیت خود پیدا میکنند بنابراین مقدار آن عنصر در طبیعت نیز کاهش می‌یابد. این امر موجب کشف دیرتر عناصر می‌شود.
📌 کاهش نقطه ذوب و جوش:
پیوندهای فلزی در اتم‌های بزرگ‌تر ضعیف‌تر هستند و در نتیجه انرژی کمتری برای ذوب و جوش نیاز دارند.
📌 افزایش چگالی:
با اینکه چگالی ابتدا کاهش می‌یابد (مانند لیتیم به سدیم)، ولی در نهایت با سنگین‌تر شدن عناصر، چگالی نیز افزایش پیدا می‌کند.
📌 کاهش انرژی یونش:
◾ تعریف:
انرژی یونش به انرژی می‌گویند که باید به یک اتم گازی در حالت پایه داده شود تا الکترون ظرفیت از آن جدا شده و به یون مثبت (کاتیون) تبدیل شود. دو نوع انرژی یونش داریم:
۱- انرژی نخستین یونش (First Ionization Energy): مقدار انرژی مورد نیاز برای یک اتم خنثی گازی برای جدا کردن بیرونی ترین الکترون آن است.
مثال: Na(g) → Na⁺(g) + e
۲- انرژی دومین یونش (Second Ionization Energy): مقدار انرژی مورد نیاز یک اتم گازی با بار مثبت برای جدا کردن بیرونی ترین الکترون (الکترون دوم) است.
مثال: Na⁺(g) → Na²⁺(g) + e
‼ واحد معمول اندازه‌گیری آن کیلوژول بر مول (kJ/mol) یا الکترون‌ولت (eV) و علامت آن + است.
‼ انرژی دوم همیشه بیشتر از اولی است، چون در مرحله دوم، الکترون از یون مثبت گرفته می‌شود که جاذبه بیشتری دارد (یون مثبت یک الکترون از دست داده و تعداد الکترون ها کاهش یافته پس جاذبه هسته روی الکترون ها بیشتر است و سخت تر می‌شود الکترون نسبت به حالت خنثی از آن جدا کرد).
از بالا به پایین انرژی یونش فلزات قلیایی کاهش می‌یابد زیرا شعاع اتمی افزایش می‌یابد و الکترون لایه ظرفیت از هسته دورتر می‌شود و با انرژی کمتری می‌توان آن را جدا کرد چون جاذبه هسته روی آن با دور شدن الکترون از هسته کاهش می‌یابد.
‼ البته فرانسیم این روند دوره‌ای رو برهم میزند و انرژی یونش آن از سزیم بیشتر است.
| عنصر | انرژی یونش اول (kJ/mol) |
|---|---|
| Li | ~۵۲۰ |
| Na | ~۴۹۶ |
| K | ~۴۱۹ |
| Rb | ~۴۰۳ |
| Cs | ~۳۷۶ |
| Fr | - |
📌 کاهش الکترونگاتیوی (Electronegativity):
◾ تعریف:
به تمایل یک اتم برای جذب جفت الکترون پیوندی در یک مولکول شیمیایی گفته می‌شود (یا تمایل اتم به جذب الکترون لایه ظرفیت به سمت هسته خود). به‌عبارتی هرچه الکترونگاتیوی بیشتر باشد، اتم تمایل بیشتری به کشیدن الکترون‌های اشتراکی به سمت خود دارد.
فلزات قلیایی از بالا به پایین با افزایش شعاع اتمی، به دلیل کاهش قدرت پیوند در جذب الکترون، الکترونگاتیوی آنها کاهش می‌یابد.
به عنوان مثال در پیوند با هالوژن‌ها (مثل کلر)، لیتیوم نسبت به سزیم کمی تمایل بیشتری به نگه داشتن الکترون پیوندی دارد، اما در کل همگی الکترون را راحت از دست می‌دهند.
‼ عنصر فرانسیم از این قاعده پیروی نمی‌کند.
عنصر لیتیوم به دلیل الکترونگاتیوی بالا، برخی از ترکیباتش خاصیت کووالانسی دارند. مثال: LiI (لیتیم یدید) حل شونده در حلال‌های آلی است (از ویژگی‌های ترکیبات کووالانسی).
‼ این ویژگی بدون واحد است و به‌صورت نسبی بیان می‌شود.
| عنصر | مقادیر تقریبی الکترونگاتیوی (مقیاس پائولینگ) |
|---|---|
| Li | ۰.۹۸ |
| Na | ۰.۹۳ |
| K | ۰.۸۲ |
| Rb | ۰.۸۲ |
| Cs | ۰.۷۹ |
| Fr | حدود ۰.۷ |
خواص و کاربرد منحصر به فرد هر یک از عناصر
۱- لیتیم (Li)
✅ خواص:
• سبک‌ترین فلز جامد
• واکنش‌پذیری کمتر نسبت به سایر فلزات قلیایی
• هدایت حرارتی و الکتریکی بالا
• چگالی بالا در بین فلزات این گروه
• ترکیبات کووالانسی مانند LiF، LiBr، Li۲S، Li۲C۲ تشکیل می‌دهد (به علت کوچک بودن کاتیون، می تواند با قطبی کردن آنیون ها ترکیبات خود را کووالانسی کند).
✅ کاربردها:
• ساخت باتری‌های لیتیوم-یون
• داروهای 💊 روان‌پزشکی برای درمان اختلال دوقطبی
• آلیاژهای سبک برای هوافضا
۲- سدیم (Na)
✅ خواص:
• در فلزات قلیایی، سدیم بیشترین فراوانی را دارد.
• واکنش‌پذیری زیاد با آب
• نقطه ذوب پایین
• رسانای الکتریکی خوب
✅ کاربردها:
• تولید لامپ‌های بخار سدیم (روشنایی جاده‌ها)
• تولید نمک خوراکی (NaCl)
• استفاده در صنایع شیمیایی برای سنتز مواد معدنی
• عامل انتقال حرارت در راکتورهای هسته‌ای
• یون‌های پتاسیم و سدیم به عنوان الکترولیت، فشار خون و تعادل مایعات را در بدن تنظیم میکنند.
برای سفارش فلز سدیم خالص مرک کلیک کنید:
۳- پتاسیم (K)
✅ خواص:
• نرم و سبک
• واکنش‌پذیری بسیار بالا با آب
✅ کاربردها:
• کودهای کشاورزی (نیترات و سولفات پتاسیم)
• پزشکی (تزریقات IV)
• استفاده در ساخت شیشه
• عامل الکترولیت در سلول‌های زنده
• سنتز ترکیبات شیمیایی
۴- روبیدیم (Rb)
✅ خواص:
• بسیار نرم
• فلز بسیار واکنش‌پذیر (واکنش بسیار شدید با آب)
• آتش‌گیر🔥 و ناپایدار در هوا
✅ کاربردها:
• کاربرد در ساعت‌های اتمی دقیق
• استفاده در پژوهش‌های علمی و طیف‌سنجی
• سلول‌های فوتوالکتریک
۵- سزیم (Cs)
✅ خواص:
• نرم‌ترین فلز شناخته شده
• شدیدترین واکنش‌پذیری با آب
• نقطه ذوب بسیار پایین (حدود ۲۸ درجه سانتی‌گراد)
✅ کاربردها:
• ساعت‌های اتمی فوق دقیق
• حفاری نفت و گاز
• کاتالیزورها در شیمی آلی
• آزمایش‌های شیمی هسته‌ای
۶- فرانسیم (Fr)
✅ خواص:
• عنصر رادیواکتیو با نیم‌عمر کوتاه
• بسیار پرتوزا
• کمیاب‌ترین فلز قلیایی
• الکترونگاتیوی و انرژی یونش بیشتری در مقایسه با سزیم دارد.
• شعاع اتمی آن برخلاف روند دوره‌ای این گروه از سزیم کوچک تر است. (به دلیل فشرده شدن اوربیتال ۷s۲ و نزدیک شدن الکترون ظرفیت به هسته اتم )
✅ کاربردها:
• کاربرد علمی محدود به پژوهش‌های هسته‌ای و طیف‌سنجی
| عنصر | عدد اتمی | شعاع اتمی (pm) | نقطه ذوب (C°) | نقطه جوش (C°) | چگالی (g/cm³) | انرژی یونیزاسیون اول (kJ/mol) | الکترون‌خواهی |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| لیتیم | ۳ | ۱۵۲ | ۱۸۰.۵ | ۱۳۴۲ | ۰.۵۳۴ | ۵۲۰ | منفی |
| سدیم | ۱۱ | ۱۸۶ | ۹۷.۸ | ۸۸۳ | ۰.۹۶۸ | ۴۹۶ | منفی |
| پتاسیم | ۱۹ | ۲۲۷ | ۶۳.۵ | ۷۵۹ | ۰.۸۶۲ | ۴۱۹ | منفی |
| روبیدیم | ۳۷ | ۲۴۸ | ۳۹.۳ | ۶۸۸ | ۱.۵۳۲ | ۴۰۳ | منفی |
| سزیم | ۵۵ | ۲۶۵ | ۲۸.۵ | ۶۷۱ | ۱.۸۷۳ | ۳۷۶ | منفی |
| فرانسیم | ۸۷ | حدود ۲۷۰ | تخمینی | تخمینی | تخمینی | - | تخمینی |
ترکیبات حاصل از فلزات قلیایی
فلزات قلیایی در طبیعت به‌صورت ترکیبی وجود دارند و نه خالص، زیرا واکنش‌پذیری بالای آنها باعث می‌شود سریعاً با آب، اکسیژن و سایر عناصر ترکیب شوند. به همین علت در نفت و پارافین نگهداری می‌شوند.
علت این موضوع: به دلیل تمایل بالا به از دست دادن الکترون، به‌راحتی وارد واکنش‌های شیمیایی می‌شوند و یون‌هایی پایدار تشکیل می‌دهند.
به عنوان مثال: سدیم به شکل NaCl و پتاسیم به شکل KCl (کانی سیلویت) در معادن یافت می شود.
⬅ ترکیبات متداول فلزات قلیایی:
فلزات قلیایی ترکیبات مختلفی را با آنیون‌ها تشکیل می‌دهند.
مانند: هیدروکسیدها، ترکیبات نیمه‌فلزی، ترکیبات با گروه ۱۳ و ۱۴، نیتریدها، اکسیدها، هالیدها و …
۱- با هالوژن‌ها (F, Cl, Br, I):
فلزات قلیایی با هالوژن ها تشکیل هالیدهایی جامد و سفید رنگ تشکیل می‌دهند. مانند NaCl، KBr، CsI – این ترکیبات یونی پایدار و محلول در آب هستند (به جز لیتیم هالید).
نمونه های دیگر: سدیم یدید (NaI) و پتاسیم یدید (KI)
برای سفارش سدیم یدید و پتاسیم یدید کلیک کنید:
۲- با اکسیژن:
فلزات قلیایی با اکسیژن هوا واکنش داده و اکسید ها را به وجود می‌آورند. مانند: Na₂O
‼ سدیم بیشتر به پروکسید (Na۲O۲) و پتاسیم بیشتر به سوپر اکسید (K۲O) تبدیل می شود.
‼ اکسید های فلزی را اکسید های بازی می‌نامند، زیرا از واکنش آنها با آب باز تولید می‌شود.
مثال: Na2O(s) + H2O(l) ➡ 2NaOH(aq)
۳- با آب (هیدروکسیدها):
فلزات قلیایی به طورانفجاری با آب واکنش می‌دهد و سبب تولید یک محلول بازی قلیایی هیدروکسید به همراه گاز هیدروژن می‌شوند.
واکنش: 2B + 2H20 ➡ 2BOH + H2
‼ همانطور که گفتیم شدت این واکنش از بالا به پایین در گروه فلزات قلیایی افزایش پیدا می‌یابد.
این واکنش به صورت دو مرحله ای است:
مرحله اول: شکستن پیوند هیدروژنی آب به دلیل واکنش با فلز که با تولید گاز هیدروژن و گرما همراه است.
مرحله دوم: این مرحله در برخی رخ اتفاق می‌افتد و گرمای آزاد شده گاز هیدروژن را شعله ور🔥 می‌کند.
نمونه ها: تشکیل هیدروکسیدهایی مانند LiOH، NaOH که بازهای قوی هستند.
‼ از واکنش ۱ مول سدیم هیدروکسید (NaOH) با ۱ مول اسید چرب یا ۱ مول استر یک عاملی، ۱ مول صابون تولید می‌شود.
۴- با نیتروژن یا هیدروژن:
تشکیل نیتریدها یا هیدریدها با خواص قوی قلیایی.
۵- ترکیبات نیمه فلزی:
نیمه فلزات: از ترکیب فلزات قلیایی با هم و با بعضی عنصرهای دیگر بدست می‌آیند. (پیوند فلزی بین یون های فلزی با بار مثبت در ساختار شبکه بلوری)
مثال:
• ملغمه سدیم با جیوه که به عنوان کاهنده در شیمی کاربرد دارد.
• ملغمه جیوه پتاسیم: KHg با رنگ طلایی و KHg۲ با رنگ نقره‌ای
• ترکیب فلزات قلیایی با عناصر گروه ۱۳ (نیمه رسانا)
• ترکیب فلز سدیم و لیتیم با کربن: استانیلیدها Li۲C۲ و Na۲C۲
• ترکیب پتاسیم، روبیدیم و سزیم با گرافیت: ترکیباتی با هدایت الکتریکی بیشتر از گرافیت تولید میکنند.
عنصر جدید فلزات قلیایی
عنصر فرضی شماره ۱۱۹ جدول تناوبی، با نام موقت اون‌اون‌انیوم (Ununennium)، قرار است در آینده به‌عنوان عضو بعدی گروه اول جدول تناوبی و جزوی از فلزات قلیایی معرفی شود.
محل ساخت:
پژوهشگاه‌های هسته‌ای مانند GSI Helmholtz (آلمان)، RIKEN (ژاپن) و آزمایشگاه‌های روسی در تلاش برای سنتز این عنصر هستند.
روش ساخت:
با استفاده از برخورد هسته‌ای بین یون‌های سنگین مانند وانادیم یا کروم سعی در سنتز این عنصر دارند.
چالش‌ها:
پایداری کم هسته، احتمال نیم‌عمر بسیار کوتاه و تولید بسیار کم، این تلاش‌ها را با دشواری مواجه کرده است.
‼ هنوز این عنصر تأیید نشده و داده‌های آن فرضی است، اما انتظار می‌رود ویژگی‌هایی مشابه فلزات قلیایی داشته باشد، اما بسیار ناپایدار و سنگین باشد.
رنگ شعله فلزات قلیایی
دلیل ایجاد رنگ شعله، تحریک الکترون‌ها در فلزات و بازگشت آنها به سطح انرژی پایین‌تر (حالت پایه) است که منجر به نشر نور در طول موج خاص در ناحیه مرئی می‌شود.
| عنصر | رنگ شعله |
|---|---|
| لیتیم | قرمز تیره |
| سدیم | زرد روشن |
| پتاسیم | بنفش مایل به صورتی |
| روبیدیم | قرمز مایل به بنفش |
| سزیم | آبی مایل به بنفش |
| فرانسیم | ناشناخته (به دلیل رادیواکتیو بودن و نایابی) |
‼ از روی رنگ شعله می‌توان نوع عنصر فلزی را تشخیص داد.
رعایت نکات ایمنی در استفاده و نگهداری
⚠ نگهداری در روغن یا پارافین مایع یا نفت سفید: برای جلوگیری از تماس با رطوبت و هوا.
⚠ عدم تماس با آب یا رطوبت: واکنش بسیار شدید و تولید گرمای زیاد همراه با انفجار💥.
⚠ استفاده از دستکش و ابزار مخصوص هنگام برش یا حمل: تماس مستقیم می‌تواند منجر به سوختگی شیمیایی شود.
⚠ انبارداری در ظروف مخصوص و خشک: ظروف باید عایق هوا و مقاوم به خوردگی باشند.
⚠ اجتناب از حمل دسته‌جمعی یا انباشته: احتمال واکنش ناخواسته در صورت تماس تصادفی.
⚠ دور از منابع گرما و شعله مستقیم نگهداری شود.
جمع‌بندی
فلزات قلیایی از مهم‌ترین گروه‌های جدول تناوبی هستند که به دلیل خواص منحصربه‌فردشان، کاربردهای گسترده‌ای در صنعت، پزشکی، کشاورزی و فناوری دارند. شناخت دقیق این عناصر، برای هر شیمیدان و دانش‌آموزی ضروری است.
برای بازدید از فروشگاه و سفارش انواع فلزات قلیایی و سایر محصولات شیمیایی، کلیک کنید:
