🧈

Τα Αλκάλια

Η 1η ομάδα του περιοδικού πίνακα: φυσικές ιδιότητες, φύλαξη σε πετρέλαιο, αντίδραση με το νερό, δραστικότητα

Ένα μέταλλο που κόβεται με μαχαίρι βουτύρου;

Το νάτριο είναι μέταλλο, αλλά είναι τόσο μαλακό που το κόβεις σαν κρύο βούτυρο, επιπλέει στο νερό και, μόλις το αγγίξει, τρέχει πάνω στην επιφάνεια σφυρίζοντας και βγάζοντας αέριο. Γι' αυτό φυλάσσεται μέσα σε πετρέλαιο. Γνώρισε την πιο «ζωηρή» οικογένεια μετάλλων: τα αλκάλια.

Ποια είναι τα αλκάλια

Αλκάλια ονομάζονται τα στοιχεία της 1ης ομάδας του περιοδικού πίνακα εκτός από το υδρογόνο: λίθιο (Li), νάτριο (Na), κάλιο (K), ρουβίδιο (Rb), καίσιο (Cs) και φράγκιο (Fr), ασταθές τεχνητό στοιχείο που δεν υπάρχει στη φύση.

Όλα είναι μέταλλα και πολύ δραστικά, γι' αυτό δεν βρίσκονται ελεύθερα στη φύση, μόνο σε χημικές ενώσεις. Η λέξη «αλκάλια» (και το «κάλιο») προέρχεται από την αραβική λέξη για τις στάχτες των φυτών.

Ιδιότητες των αλκαλίων

Πείραμα (επίδειξη): κόβουμε με μαχαίρι ένα κομματάκι νατρίου σε μέγεθος φακής και το ρίχνουμε σε νερό με λίγες σταγόνες φαινολοφθαλεΐνης. Παρατηρούμε: το νάτριο κόβεται εύκολα, έχει αργυρόλευκη λάμψη στην τομή, επιπλέει και αντιδρά με το νερό ελευθερώνοντας υδρογόνο, ενώ το διάλυμα γίνεται ερυθροϊώδες (βασικό).

Γενικά τα αλκάλια:

είναι μαλακά και κόβονται εύκολα με μαχαίρι,
έχουν μικρή πυκνότητα — το λίθιο, το νάτριο και το κάλιο είναι ελαφρύτερα από το νερό,
έχουν χαμηλά σημεία τήξης (εύτηκτα μέταλλα),
οξειδώνονται εύκολα από το οξυγόνο του αέρα, γι' αυτό φυλάσσονται σε πετρέλαιο,
αντιδρούν με το νερό: το λίθιο ήπια, το νάτριο πιο δραστικά, το κάλιο βίαια. Σχηματίζεται υδροξείδιο του αλκαλίου (βάση) και εκλύεται υδρογόνο.

$2Na(s) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g)$

Η φαινολοφθαλεΐνη γίνεται ερυθροϊώδης γιατί το διάλυμα γίνεται βασικό (σχηματίζεται $NaOH$ ).

Τα αλκάλια έχουν 1 ηλεκτρόνιο στην εξωτερική στιβάδα, που αποσπάται εύκολα — έτσι σχηματίζουν κατιόντα με φορτίο +1 (π.χ. $Na^+$ ).

Ιδιότητες σε αριθμούς

Λίθιο ( $Z = 3$ ): πυκνότητα $0{,}53\ \text{g/mL}$ , σημείο τήξης $180{,}5\ ^\circ\text{C}$
Νάτριο ( $Z = 11$ ): $0{,}97\ \text{g/mL}$ , $97{,}8\ ^\circ\text{C}$
Κάλιο ( $Z = 19$ ): $0{,}86\ \text{g/mL}$ , $63{,}6\ ^\circ\text{C}$
Ρουβίδιο ( $Z = 37$ ): $1{,}53\ \text{g/mL}$ , $38{,}9\ ^\circ\text{C}$
Καίσιο ( $Z = 55$ ): $1{,}88\ \text{g/mL}$ , $28{,}5\ ^\circ\text{C}$

Καθώς αυξάνεται ο ατομικός αριθμός, οι φυσικές ιδιότητες μεταβάλλονται βαθμιαία — π.χ. το σημείο τήξης μειώνεται.

Γρήγορος έλεγχος

Γιατί το νάτριο φυλάσσεται σε δοχείο με πετρέλαιο;

Μέθοδος: γράφω την αντίδραση αλκαλίου με νερό

Αντιδρώντα: το αλκάλιο (Li, Na, K…) και νερό.
Προϊόντα: το υδροξείδιο του αλκαλίου ( $LiOH$ , $NaOH$ , $KOH$ ) και υδρογόνο $H_2$ .
Ισοστάθμιση: πάντα 2 : 2 → 2 : 1 — $2M + 2H_2O \rightarrow 2MOH + H_2$ .
Το διάλυμα είναι βασικό (φαινολοφθαλεΐνη ερυθροϊώδης, pH > 7).

Παράδειγμα — το κάλιο και το λίθιο στο νερό:

$2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2$

$2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2$

Έλεγχος (για το κάλιο): K 2 = 2, H $2 \cdot 2 = 4$ και $2 + 2 = 4$ , O 2 = 2 ✓. Το κάλιο αντιδρά βίαια, το λίθιο ήπια — αλλά η εξίσωση έχει την ίδια μορφή, γιατί ανήκουν στην ίδια ομάδα.

Παράδειγμα — στερεό ή υγρό; Σε ποια κατάσταση είναι στους $40\ ^\circ\text{C}$ το κάλιο, το ρουβίδιο και το καίσιο;

Λύση: Κάλιο: σ.τ. $63{,}6 > 40$ → στερεό. Ρουβίδιο: $38{,}9 < 40$ → υγρό. Καίσιο: $28{,}5 < 40$ → υγρό.

Απάντηση: το κάλιο στερεό, ρουβίδιο και καίσιο υγρά — πολύ «εύτηκτα» μέταλλα!

Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):

Δεδομένα: Ρίχνεις με προσοχή ένα μικρό κομμάτι νατρίου σε νερό με φαινολοφθαλεΐνη.

Ζητούμενα: (α) Η χημική εξίσωση. (β) Το διάλυμα είναι όξινο, βασικό ή ουδέτερο; (γ) Γιατί το νάτριο επιπλέει; (δ) Σε ποια ομάδα ανήκει και γιατί σχηματίζει $Na^+$ ;

Λύση:

(α) $2Na(s) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g)$ .

(β) Βασικό: σχηματίστηκε $NaOH$ , που δίνει $OH^-$ — γι' αυτό η φαινολοφθαλεΐνη έγινε ερυθροϊώδης.

(γ) Έχει πυκνότητα $0{,}97\ \text{g/mL}$ , μικρότερη από του νερού ( $1\ \text{g/mL}$ ).

(δ) Στην 1η ομάδα (αλκάλια): έχει 1 ηλεκτρόνιο στην εξωτερική στιβάδα, που αποσπάται εύκολα → φορτίο +1.

Απάντηση: όπως παραπάνω.

Γρήγορος έλεγχος

Ποια σειρά δείχνει σωστά πόσο έντονα αντιδρούν με το νερό (από το πιο ήπιο στο πιο βίαιο);

Γρήγορος έλεγχος

Τι χρώμα αποκτά το νερό με φαινολοφθαλεΐνη μετά την αντίδραση με νάτριο και γιατί;

Κόλπο μνήμης

«Λίγο Νερό Και…» → Li, Na, K με σειρά αυξανόμενης «οργής» στο νερό: ήπια → δραστικά → βίαια. Και πάντα: αλκάλιο + νερό → βάση + υδρογόνο.

Ήξερες ότι;

Το καίσιο λιώνει στους $28{,}5\ ^\circ\text{C}$ — θα έλιωνε στη χούφτα σου, που έχει θερμοκρασία πάνω από 30 °C (αλλά μην το δοκιμάσεις: αντιδρά βίαια ακόμη και με την υγρασία του δέρματος!). Και το λίθιο είναι τόσο ελαφρύ ( $0{,}53\ \text{g/mL}$ ) που επιπλέει ακόμη και στο πετρέλαιο.

Πρόκληση

Το πετρέλαιο έχει πυκνότητα περίπου $0{,}8\ \text{g/mL}$ . (α) Ποια αλκάλια βυθίζονται στο πετρέλαιο (άρα καλύπτονται πλήρως και προστατεύονται); (β) Ποιο αλκάλιο επιπλέει και θα έμενε εκτεθειμένο στον αέρα; (γ) Ποια αλκάλια θα επέπλεαν στο νερό;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

Πυκνότητες: Li 0,53 · Na 0,97 · K 0,86 · Rb 1,53 · Cs 1,88.

(α) Όσα έχουν πυκνότητα > 0,8: Na, K, Rb, Cs.

(β) Το λίθιο (0,53 < 0,8) επιπλέει — γι' αυτό συχνά φυλάσσεται μέσα σε παραφίνη ή σε αδρανές αέριο.

(γ) Όσα έχουν πυκνότητα < 1: Li, Na, K.

Απάντηση: βυθίζονται στο πετρέλαιο Na, K, Rb, Cs· επιπλέει το Li· στο νερό επιπλέουν Li, Na, K.

Συνηθισμένα λάθη

Το υδρογόνο στα αλκάλια. Είναι στην 1η ομάδα, αλλά δεν είναι αλκάλιο.
Προϊόν «οξείδιο» στην αντίδραση με νερό. Σχηματίζεται υδροξείδιο ( $NaOH$ ) και υδρογόνο.
Ισοστάθμιση $Na + H_2O \rightarrow NaOH + H_2$ : τα H δεν ισούνται· χρειάζεται $2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2$ .
«Όλα τα μέταλλα είναι βαριά και σκληρά». Τα αλκάλια είναι μαλακά και ελαφριά.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Αλκάλια: 1η ομάδα εκτός H — Li, Na, K, Rb, Cs, Fr· πολύ δραστικά μέταλλα, μόνο σε ενώσεις στη φύση.
Μαλακά, μικρή πυκνότητα (Li, Na, K επιπλέουν στο νερό), χαμηλά σημεία τήξης, οξειδώνονται εύκολα → φύλαξη σε πετρέλαιο.
Με νερό: $2M + 2H_2O \rightarrow 2MOH + H_2$ · βασικό διάλυμα (φαινολοφθαλεΐνη ερυθροϊώδης). Li ήπια, Na δραστικά, K βίαια.
1 ηλεκτρόνιο στην εξωτερική στιβάδα → κατιόντα +1.
Οι φυσικές ιδιότητες αλλάζουν βαθμιαία με τον ατομικό αριθμό.

Ποια είναι τα αλκάλια

Ιδιότητες των αλκαλίων

Γενικά τα αλκάλια:

είναι μαλακά και κόβονται εύκολα με μαχαίρι,

έχουν μικρή πυκνότητα — το λίθιο, το νάτριο και το κάλιο είναι ελαφρύτερα από το νερό,

έχουν χαμηλά σημεία τήξης (εύτηκτα μέταλλα),

οξειδώνονται εύκολα από το οξυγόνο του αέρα, γι' αυτό φυλάσσονται σε πετρέλαιο,

αντιδρούν με το νερό: το λίθιο ήπια, το νάτριο πιο δραστικά, το κάλιο βίαια. Σχηματίζεται υδροξείδιο του αλκαλίου (βάση) και εκλύεται υδρογόνο.