第1族元素
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← 1族 → | |
周期 | |
1 | 1 H |
2 | 3 Li |
3 | 11 Na |
4 | 19 K |
5 | 37 Rb |
6 | 55 Cs |
7 | 87 Fr |
第1族元素(だいいちぞくげんそ)とは、周期表において第1族に属する元素。水素・リチウム・ナトリウム・カリウム・ルビジウム・セシウム・フランシウムがこれに該当する。このうち、水素を除いた元素についてはアルカリ金属 (alkali metals) といい、単体では最外殻s軌道電子が自由電子として振舞うため金属的な性質を示す。
周期表の一番左側に位置する元素群で、価電子は最外殻のs軌道にある電子である。s軌道は1電子のみが占有する。
目次 |
アルカリ金属
第1族元素の中において、元素の持つ化学的性質の共通部分について与えられた名称がアルカリ金属である。言い換えると周期表の族は電子構造の共通性に着目した区分であるため(他の元素族でも同様であるが)同じ族の元素であっても完全な共通性が存在するわけではない。典型元素の単体においては周期が小さいほど共有結合性が強く、周期が大きいほど金属結合性が強い。この典型元素の性質は第1族元素においては水素のみが共有結合性を示し他は金属結合性を示すといったあらわれ方をしている<ref>水素も超高圧下では高温でも固体となり金属的な物性を示すと理論的には示されているように金属であるか非金属であるかは元素の性質だけでなく物質の構造に依存する要素もある。</ref>。
第1族元素に属する元素の多くが化学的性質に基づく分類である「アルカリ金属」に属する為、第1族元素をアルカリ金属と言い換えることはかなり歴史的にも古くからおこなわれてきた。その為、広義には第1族元素とアルカリ金属とは同等とみなされることが多い。しかし、分類の着目点が電子構造の違いか代表的な化学的共通性質かという違いがあるため、厳密には第1族元素の区分とアルカリ金属の区分とは合致しない。とは言え水素とアルカリ金属とで共通の化学的性質や物理的性質が存在し、全く別の集団であるということでもない。
性質
第1族元素がアルカリ金属と呼ばれるようにリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムは性質が非常に似通っている。一方水素はアルカリ金属元素とは性質が著しく異なる。
両者の違いは電子配置の閉殻構造の有無に起因する。アルカリ金属元素の場合、一価の陽イオンが生成すると閉殻構造の寄与により非常に安定化する。一方、水素の陽イオンであるプロトンはむき出しの正電荷である為、電子を核から引き放なす為のイオン化エネルギーが非常に大きく、閉殻構造が無いため安定化の寄与が存在しない。このs電子の振る舞いの違いが水素では共有化合物としての性質を与え、アルカリ金属元素には金属としての性質を与えている。
また、仕事関数が小さいという特徴がある。
水素 1H | リチウム 3Li | ナトリウム 11Na | カリウム 19K | ルビジウム 37Rb | セシウム 55Cs | |
---|---|---|---|---|---|---|
電子配置 | 1s1 | [He]2s1 | [Ne]3s1 | [Ar]4s1 | [Kr]5s1 | [Xe]6s1 |
第1イオン化エネルギー (kJ·mol−1) | 1312 | 513.3 | 495.8 | 418.8 | 403.0 | 375.7 |
電子付加エンタルピー (kJ·mol−1) | − | − | − | − | 46.88 | 45.51 |
電子親和力 (kJ·mol−1) | 72.77 | 59.63 | 52.87 | − | − | − |
電気陰性度 (Allred−Rochow) | 2.20 | 0.97 | 1.01 | 0.91 | 0.89 | 0.86 |
イオン半径 (pm, M+) | −4 (2配位) | 73 (4配位) 90 (6配位) | 113 (4配位) 116 (6配位) | 152 (6配位) 165 (8配位) | 166 (6配位) 175 (8配位) | 181 (6配位) 202 (12配位) |
共有結合半径 (pm) | 37 | 134 | 154 | 196 | 211 | 225 |
van der Waals半径 (pm) | 120 | 182 | 227 | 275 | 244 | − |
融点 (K) | 14.025 | 453.69 | 370.87 | 336.53 | 312.46 | 301.59 |
沸点 (K) | 20.268 | 1615 | 1156 | 1032 | 961 | 944 |
還元電位 E0 (V, M+/M) | 0 | −3.040 | −2.713 | −2.929 | −2.924 | −2.923 |
以下では、主にアルカリ金属の性質について述べる。水素の性質については、記事 水素 で詳しく述べる。
単体金属
アルカリ金属は、比較的融点も低く、比較的軟らかく軽い金属である。Li、Na、Kは比重が1以下で水に浮く。いずれも反応性は高く、周期表の周期が大きくなるほど、結晶エネルギー(解離エンタルピー)が低減するため、激しく反応する傾向が見られる。また、いずれも酸化還元電位が非常に低いため、塩を還元して単体金属とするには溶融塩を電気分解することで生産される。
いずれのアルカリ金属元素単体も水、あるいは空気中の酸素と反応する為に、それらを避けるためにミネラルオイルの中に保存される。オイルを拭って放置すると自然発火することもあるので取り扱いは考慮する必要がある(危険物3類)。
アルカリ金属元素は、いずれも炎色反応を示す。
リチウム | ナトリウム | カリウム | ルビジウム | セシウム | フランシウム |
---|---|---|---|---|---|
深紅色 | 黄色 | 紫色 | 深赤色 | 青紫色 | 未確認 |
セシウムのみは励起に必要な高温を得るために、酸水素炎で観察する必要がある。
アルカリ金属の中でもリチウムは特異的である。たとえばリチウムのみが熱時に単体窒素 N2 と直接反応して、リチウム窒化物を生成する。
また、フランシウムは放射性元素で天然からは産出されないが、核反応により少量合成されアルカリ金属としての物性を持つことが確認されている。
水やアルコールなどプロトン溶媒とは水素ガスを発して反応し、生成する水酸化物や金属アルコキシドなどは強塩基として利用される。
そして、アルカリ金属イオンはハロゲンイオンなど種々のアニオンと水溶性の塩を作る。これは、アルカリ金属イオンが強く水和することの寄与が大きい。これらのアルカリ金属塩の溶解性はアルカリ金属イオンの挙動に強く影響される。例えば、クラウンエーテルやクリプタンドなどはアルカリ金属イオンと包摂化合物を形成し、塩は有機溶媒に可溶となることが知られている。
また、アルカリ金属元素の単体はいずれも酸化還元電位が非常に低く、強い還元性を有する。このアルカリ金属元素の性質は、他の金属の塩化物から単体へと還元するときに利用されたり、有機化学の分野ではバーチ還元 (Bürch reduction) に利用される。
仕事関数が小さいという特長を活かしてカミオカンデで使用された光電子増倍管の光電面に蒸着されている。
水素化物
アルカリ金属は一般式 MH で表されるような1価の水素化物を形成する。これらの水素化物はイオン型水素化物であり、ヒドリド供与体として、塩基や還元剤として利用される。
酸化物
アルカリ金属は一般式 M2O で表される酸化物を形成する。空気中の酸素と直接反応するためアルカリ金属単体の切断面は、直後には金属光沢を示すものの、速やかに酸化物など(一部は水酸化物)に覆われて光沢を失う。
また、空気中で燃焼させるとリチウムでは主に酸化物を生成するが、主にナトリウムでは一般式 M2O2 であらわされる金属過酸化物を形成し、カリウム以上の周期の元素の場合は一般式 MO2 で表される金属超酸化物を形成することも知られている。
酸化物は発熱を伴い水と激しく反応して水酸化物を生成し、過酸化物は激しく加水分解して過酸化水素あるいは酸素を発生する。超酸化物も水溶液中では次第に分解して酸素を発生する。
アルカリ金属に限定しない酸化物の一般的性質については、酸素・酸化物それぞれの項目を参照のこと。
ハロゲン化物
一般に、アルカリ金属のハロゲン化物は常温で固体であり、フッ化リチウム (LiF) を例外としていずれも水溶性が高い塩である。上記で述べられているように、塩の水溶性に大きく関与する要因として、アルカリ金属イオンの水和で得られるエネルギーとイオン結晶格子の切断にともない失われるエネルギーとの収支の損得が挙げられる(記事 溶液・溶解 に詳しい)。フッ化リチウムの水溶性が低い(25 ℃ にて、0.13 g/100 mL)ことについては、フッ化物イオン (F−) もリチウムイオン (Li+) もイオン半径が同程度に小さいためにフッ化リチウムの結晶格子は小さく強い結合から成る一方、フッ化リチウムの結晶が溶解してイオンが水和を受ける際の水和エネルギーは大きいものの格子エネルギーを打ち消す程ではない事による。
物質 | 格子エネルギー<math>U</math> | 水和エンタルピー変化<math>\Delta H_{hyd}</math> | 溶解エンタルピー変化<math>\Delta H_{soln}</math> | 溶解エントロピー変化<math>\Delta S_{soln}</math> | 溶解ギブス自由エネルギー変化<math>\Delta G_{soln}</math> |
---|---|---|---|---|---|
フッ化リチウム | 1046.4 kJ mol−1 | −1041.5 kJ mol−1 | 4.8 kJ mol−1 | 36.1 J mol−1K−1 | 15.6 kJ mol−1 |
アルカリ金属のハロゲン化物の水溶液の pH は中性に近いことが多いが、フッ化物やヨウ化物の中には微弱な塩基性を示すものがある(例:飽和 NaF 水溶液で、pH 7.4)。これはフッ化水素が弱酸でありフッ化物イオンが僅かに加水分解すること、またヨウ化水素は強酸であるものの、ヨウ化物イオンが酸化されやすく極一部が次亜ヨウ素酸塩などに変化していることによる。
一連のハロゲン化物の中で、地球上に最も広く存在するものが塩化ナトリウム (NaCl) である。
註・出典
<references />
関連項目
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