Detailed Notes on Alkali Metals

Historie alkalických kovů

• Historické použití

  • Termín "neter" ze Starého zákona byl používán pro látky jako čisticí prostředky.

  • Používány od starověkého Egypta, Řecka a Říma (ve formě nitru, směsi uhličitanu sodného
    $ext{Na}<em>2 ext{CO}</em>3$ a uhličitanu draselného $ext{K}<em>2 ext{CO}</em>3$).

  • Georg Stahl úspěšně oddělil tyto komponenty v roce 1702, s důkazy poskytnutými v roce 1736.

• Hlavní objevy a příprava

  • V roce 1807 vyprodukoval Humphry Davy čistý sodík elektrolytickým rozkladem taveniny hydroxidu sodného $ext{NaOH}$ a draslíku z taveniny hydroxidu draselného $ext{KOH}$.

  • Lithium bylo objeveno Johannem Arfvedsonem v roce 1817 v minerálu petalit $ext{LiAlSi}<em>4 ext{O}</em>{10}$.

  • Lithium bylo pojmenováno podle řeckého slova lithos, což znamená kámen.

  • V roce 1855 vytvořili R. W. Bunsen a M. Matthiessen lithium elektrolytickým rozkladem chloridu lithného $ext{LiCl}$.

  • Rubidium a cesium byly objeveny v roce 1861 během spektrální analýzy minerálních vod R. W. Bunsenem a G. S. Kirchhoffem.

  • Cesium bylo připraveno Setterbergem v roce 1882 elektrolytickým rozkladem cyanidu cesného smíšeného s cyanidem baria.

  • Francium bylo objeveno v roce 1939 M. Perejouem a pojmenováno podle místa jeho objevu.

Obecné vlastnosti alkalických kovů

• Fyzikální vlastnosti

  • Alkalické kovy jsou pevné látky s nízkými bodem tání a hustotou.

  • Pouze lithium taje nad 100 °C; lithium, sodík a draslík mají hustoty nižší než voda.

  • Lithium je nejlehčí kov.

  • Projevují nízkou elektronegativitu, což naznačuje vysokou elektropositivitu.

  • Konfigurace valenčního shellu: $ns^1$ (kde $2 ext{ 00} n ext{ 00} 7$).

  • Hlavně tvoří oxidační stavy +1.

• Metalické vlastnosti

  • Obvykle mají metalické vlastnosti, jako je vysoká elektrická a tepelná vodivost.

  • Vypadají stříbřitě lesklé (cesium má zlatou barvu).

  • Mají tažnost a kujnost.

  • Existují radioaktivní izotopy pro francium a draslík.

• Barvy plamenů

  • Kationty alkalických kovů produkují charakteristické barvy plamenů, když jsou zahřáté:

  • Lithium (Li$^+$): karmínově červená

  • Sodík (Na$^+$): jasně žlutá

  • Draslík (K$^+$): fialová

  • Rubidium (Rb$^+$): světle fialová

  • Cesium (Cs$^+$): modro-fialová.

Výskyt alkalických kovů

• Obvykle se nacházejí v sloučeninách kvůli vysoké reaktivitě.

• Sodík je 6. nejhojnější prvek (2,6 %) a draslík je 7. (2,4 %).

• Ostatní alkalické kovy jsou přítomny ve stopových množstvích, hlavně v mořské vodě (především jako chlorid sodný $ext{NaCl}$) a minerálních vodách.

Příprava alkalických kovů

• Obvykle se připravují dekompozicí azidů (s lithium jako výjimkou), znázorněnou reakcí:
  $2 ext{MN}<em>3 ightarrow 2 ext{M} + 3 ext{N}</em>2$.

• Produkce sodíku

  • Vyprodukován elektrolytickým rozkladem chloridu sodného ($ext{NaCl}$), taveného v přítomnosti chloridu vápníku (snižuje teplotu tání z 1073 K na 870 K).

  • Vedlejší produkt: $ext{Cl}_2$, přispívající 5 % k globální produkci.

Reakce alkalických kovů

• Velmi reaktivní i s běžným vzduchem (reakce s $ext{O}<em>2$ a $ext{CO}</em>2$), což vyžaduje skladování v nepolárních rozpouštědlech.

• Při hoření ve vzduchu reagují k oxidu, peroxidům nebo superoxidům:

• Lithium produkuje lithný oxid (Li$ ext{2}$O)

• Sodík produkuje peroxid sodný (Na$ ext{2}$O$ ext{2}$)

• Draslík a rubidium produkují příslušné superoxidy (KO$ ext{2}$, RbO$ ext{2}$, respektive).

• Reakce s vodou

  • Reagují násilně s vodou za vzniku hydroxidů a plynného vodíku.

Aplikace alkalických kovů

• Chemický průmysl

  • Sodík se používá v některých zářivkách neonových lamp.

  • Lithium slitiny jsou lehké a odolné, vhodné pro konstrukci letadel.

  • Slitiny sodíku a draslíku se používají jako chladiva v jaderných reaktorech díky svým nízkým bodům tání.

• Baterie

  • Náboje sodium-síra baterií:

  • Anoda: $ext{Na}^+$

  • Katoda: $ext{S}^+$ + uhlíková vlákna

  • Pracují při vysokých teplotách (570 - 620 K).

  • Lithium baterie:

  • Vysoká energetická hustota s napětím kolem 3,6 V.

  • Alternativy zahrnují lithium mangan dioxide (LiMn$ ext{2}$O$ ext{4}$).

• Biologický význam

  • Sodíkově-draselné čerpadlo je zásadní pro buněčnou rovnováhu.

  • Draslík je nezbytný pro růst rostlin a používaný v hnojivech.

• Cesium atomové hodiny

  • Měření času prostřednictvím přechodu v atomu cesia-133.

  • Dosažená přesnost 1 sekundy odchylky za 80 milionů let.

Sloučeniny alkalických kovů

• Obvykle iontové sloučeniny a jsou rozpustné ve vodě, převážně bezbarvé.

• Sodné sloučeniny

  • Peroxid sodný $ext{Na}<em>2 ext{O}</em>2$: používán v čištění vzduchu.

  • Hydroxid sodný (NaOH):

  • Vyprodukovaný elektrolytickým rozkladem mořské vody; zásadní pro chemický průmysl.

  • Chlorid sodný ($ext{NaCl}$): získaný odpařením a široce používaný v potravinářství a průmyslu.

• Draselné sloučeniny

  • Hydroxid draselný (KOH): podobné vlastnosti jako NaOH.

  • Chlorid draselný ($ext{KCl}$): široce používán v hnojivech.

• Lithné sloučeniny

  • Uhličitan lithný (Li$ ext{2}$CO$ ext{3}$): používán při léčení bipolárních poruch.

  • Bikarbonát sodný (NaHCO$ ext{3}$): jedlá soda, široce používaná v kuchyni a antacidech.