Kim loại kiềm

Nguyên tố kim loại kiềm (tiếng Anh: Alkali metal) là một nhóm các nguyên tố hóa học bao gồm lithi (Li), natri (Na), kali (K), rubidi (Rb), caesi (Cs) và franci (Fr). Các kim loại kiềm cùng với hydro tạo thành nhóm IA, nằm trong khối nguyên tố s của bảng tuần hoàn. Tất cả các kim loại kiềm đều có electron ngoài cùng nằm ở orbital-s, và do có chung cấu hình electron giúp các nguyên tố này có các tính chất hóa học tương đối giống nhau. Các nguyên tố kim loại kiềm cũng là những ví dụ tốt cho xu hướng biến đổi tuần hoàn trong bảng tuần hoàn hóa học, với các nguyên tố thể hiện tính đồng đẳng trong các phản ứng. Nhóm các nguyên tố này cũng thường được gọi là họ lithi (tiếng Anh: lithium family), lấy tên nguyên tố đầu tiên của nhóm này là lithi.

Các kim loại kiềm có tính chất ánh kim, mềm mại, dễ dàng phản ứng ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn và dễ nhường electron ngoài cùng để trở thành một cation với số oxi hóa +1. Chúng có thể bị cắt dễ dàng bởi dao do tính mềm của chúng, lộ ra bề mặt ánh kim nhưng lại bị oxy hóa nhanh chóng do tác động của nước và không khí (nitơ đối với lithi). Do tính dễ phản ứng của chúng, các kim loại kiềm thường được bảo quản trong dầu để tránh bị ăn mòn khi tiếp xúc với không khí. Tất cả các kim loại kiềm đều phản ứng với nước, và các kim loại ở các chu kỳ sau càng phản ứng mạnh mẽ hơn, điều này làm cho caesi là nguyên tố phản ứng mạnh nhất trong nhóm.

Tất cả các kim loại kiềm tồn tại tự nhiên dưới dạng hợp chất thay vì dạng nguyên chất, với natri là kim loại kiềm dễ tìm thấy nhất, sau đó là kali, lithi, rubidi, caesi và cuối cùng là franci - nguyên tố hiếm do phản ứng phóng xạ mạnh, chỉ tồn tại trong vài phút như một bước trong chuỗi phân rã tự nhiên. Ununenni (Uue), nguyên tố dự đoán sẽ là thành viên tiếp theo trong họ kim loại kiềm, vẫn chưa được tổng hợp thành công mặc dù đã có nhiều thí nghiệm tổng hợp. Tuy nhiên, Ununenni có thể không phải là kim loại kiềm do hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng này đã giúp dự đoán nhiều tính chất hóa học của các nguyên tố siêu nặng.

Đa số các kim loại kiềm có nhiều ứng dụng thực tiễn. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất là sử dụng rubidi và caesi trong các đồng hồ nguyên tử, với đồng hồ nguyên tử của caesi là tiêu chuẩn cho đơn vị thời gian giây. Các hợp chất của natri cũng có nhiều ứng dụng, như đèn xăng natri và muối ăn - hợp chất của natri và clo đã được sử dụng từ lâu. Lithi được sử dụng trong điều trị tâm thần và làm anot trong pin lithi. Natri, kali và lithi đều là các ion khoáng như các dung môi sinh học, và mặc dù các kim loại kiềm khác không phải là ion khoáng - chúng đều có những ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực đối với cơ thể động vật.

Lịch sử

Các hợp chất của natri đã được biết từ thời cổ đại, như muối (hay natri chloride) là gia vị, đồng thời là hàng hóa quan trọng trong các hoạt động của con người, với từ tiếng Anh salt được biến từ từ salary - lấy nguồn gốc từ 'salarium', khi những người lính La Mã được trả tiền để mua muối ăn. Quặng kali cũng đã được sử dụng từ thời cổ đại, nhưng trong hầu hết lịch sử, không biết rằng nó không phải là một muối khoáng của natri. Georg Ernst Stahl có những bằng chứng từ thí nghiệm thực tế, giúp ông đưa ra ý tưởng về sự khác biệt cơ bản giữa muối của natri và kali vào năm 1702, và Henri-Louis Duhamel du Monceau chứng minh sự khác biệt này vào năm 1736. Tuy nhiên, các hợp chất cụ thể của kali và natri và trạng thái tự nhiên của hai nguyên tố này vẫn chưa biết đến lúc đó - điều này cũng khiến Antoine Lavoisier không thêm bất kỳ nguyên tố kim loại kiềm nào vào danh sách các nguyên tố hóa học của ông vào năm 1789.

Kali nguyên chất được điều chế lần đầu tiên vào năm 1807 tại Anh bởi Humphry Davy, ông đã làm điều này bằng cách điều chế từ kali hydroxide, sau đó điện phân muối nóng chảy bằng pin Volta - một công cụ mới được phát minh vào thời điểm đó. Trước đó, các thử nghiệm điện phân đều thất bại do khả năng phản ứng mạnh mẽ của kali, nhưng thành công này cũng đánh dấu lần đầu tiên kim loại được phân lập bằng phương pháp điện phân. Cùng năm đó, Davy cũng công bố việc ông điều chế natri nguyên chất, cũng với một hóa chất tương đương là xút bằng một kỹ thuật tương đương, từ đó công bố nguyên tố mới và xác định hai muối của hai kim loại này hoàn toàn khác nhau.

Petalite (hoặc LiAlSi₄O₁₀) được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1800 bởi nhà hóa học người Brasil José Bonifácio de Andrada tại một mỏ trên đảo Utö, Thụy Điển. Tuy nhiên, đến năm 1817, khi phân tích mẫu quặng này, Johan August Arfwedson trong phòng thí nghiệm của Jöns Jacob Berzelius đã phát hiện ra sự tồn tại của một nguyên tố mới. Nguyên tố này khi hình thành các hợp chất có các tính chất tương tự như natri và kali, mặc dù dạng muối carbonate và hydroxide của nó tan ít hơn trong nước, nhưng lại tạo ra môi trường kiềm mạnh hơn. Berzelius đã đặt tên cho nguyên tố chưa biết này là lithion/lithina, lấy nguồn gốc từ từ λιθoς (chuyển tự: lithios, có nghĩa là hòn đá) trong tiếng Hy Lạp cổ đại, để nhấn mạnh nguồn gốc tìm ra nguyên tố này từ trong các quặng rắn, khác với kali khi được tìm thấy trong tro khi đốt các loài thực vật, hay natri với nồng độ tương đối trong máu động vật. Kim loại nằm trong petalite đã được ông đặt tên là lithium. Liti, natri và kali đều là một phần trong quá trình tìm ra sự biến đổi tuần hoàn của bảng tuần hoàn, khi chúng cùng nằm trong một bộ ba các nguyên tố chung một nhóm và Johann Wolfgang Döbereiner đã chỉ ra những điểm tương đồng về tính chất hóa học của chúng vào năm 1850.

Rubidi và caesi là những nguyên tố đầu tiên được phát hiện bằng việc sử dụng máy quang phổ - thiết bị mới được phát minh vào năm 1859 bởi Robert Bunsen và Gustav Kirchhoff. Trong năm tiếp theo, họ phát hiện caesi trong các mẫu nước khoáng từ Bad Dürkheim, Đức. Năm 1861, hai nhà khoa học này phát hiện rubidi trong các mẫu quặng lepidolite. Tên rubidi và caesi xuất phát từ phổ phát xạ của chúng, với đường xạ màu đỏ của rubidi (lấy từ tiếng Latinh rubidus, có nghĩa là đỏ sậm hoặc đỏ chói) và đường xạ màu xanh da trời của caesi (lấy từ tiếng Latinh caesius, có nghĩa là xanh da trời).

Khoảng năm 1865, John Newlands xuất bản một ấn bản trong đó ông liệt kê các nguyên tố theo thứ tự tăng dần của nguyên tử khối, cùng với đó là những nguyên tố có tính chất vật lý/hóa học tương tự nhau được xếp vào từng nhóm tám nguyên tố một - ông dựa trên quãng tám trong âm nhạc, khi mà các nốt nhạc trong cùng một quãng tám có các tính chất âm tương đồng nhau. Ấn bản này của ông liệt kê toàn bộ các nguyên tố kim loại kiềm được biết tới vào thời điểm đó (từ lithi tới caesi), cùng với đồng, bạc và tháli (nguyên tố có số oxi hóa +1 trong các hợp chất giống với kim loại kiềm) đều được xếp vào một nhóm. Tuy nhiên, ông cũng xếp hydro vào cùng nhóm với các halogen.

Sau năm 1869, Dmitri Ivanovich Mendeleev trong bảng tuần hoàn hóa học của mình, ông xếp lithi đứng đầu nhóm các nguyên tố với natri, kali, rubidi, caesi và thali. Hai năm sau đó, Mendeleev chỉnh sửa lại bảng tuần hoàn của mình, đặt hydro trong cùng nhóm 1 và đưa thali xuống nhóm Bor. Trong phiên bản năm 1871, đồng, bạc và vàng xuất hiện hai lần, một lần trong nhóm IB và một lần trong nhóm 'VII' hiện tại từ 8 đến 11. Khi bảng tuần hoàn lần đầu tiên có 18 cột được giới thiệu, nhóm nguyên tố IB đã được chuyển đến vị trí hiện tại của chúng trong khối d, trong khi các kim loại kiềm được đặt trong nhóm IA. Năm 1988, nhóm này được đổi tên thành 'nhóm 1'. Tên gọi chung 'kim loại kiềm' xuất phát từ việc hydroxide của các nguyên tố trong nhóm 1 này tạo ra môi trường kiềm mạnh khi tan trong nước.

Có ít nhất bốn lần thất bại trong việc phát hiện nguyên tố cuối cùng trong nhóm kim loại kiềm trước khi Marguerite Perey từ Viện Curie tại Paris, Pháp phát hiện nguyên tố franci vào năm 1939 trong quá trình tinh chế mẫu actini-227, với mức năng lượng phân rã được báo cáo là 220 keV. Tuy nhiên, Perey đã phát hiện các hạt phân rã với mức năng lượng dưới 80 keV, dẫn đến suy đoán rằng một nguyên tố phân rã chưa được biết đã xuất hiện trong quá trình tinh khiết hóa mẫu actini-227. Các thử nghiệm khác đã loại trừ khả năng nguyên tố này là thori, radi, chì, bismuth hoặc thali. Sản phẩm mới có các tính chất hóa học của một kim loại kiềm, khiến Perey tin rằng đây là nguyên tố có số hiệu 87, là sản phẩm của quá trình phân rã alpha của actini-227. Sau đó, Perey thử nghiệm để xem liệu phân rã beta có tạo ra sản phẩm khác so với phân rã alpha hay không, bà đặt nguồn tia alpha ở mức 0,6%, sau đó tăng lên 1% theo phương trình:

Ac → [{α}][{21,77 năm}] Fr → [{β−}][{22 phút}] Ra → [{α}][{11,4 ngày}] Rn

Nguyên tố tiếp theo sau franci trong bảng tuần hoàn được dự đoán là ununenni (Uue) với số hiệu nguyên tử 119. Các thử nghiệm tổng hợp ununenni lần đầu tiên được thực hiện vào năm 1985 bằng cách bắn einsteini-254 bằng ion calci-48 trong máy gia tốc SuperHILAC tại Berkeley, California. Tuy nhiên, không có nguyên tử mới được tạo ra, dẫn đến việc giới hạn vùng phản ứng dưới 300 nb.

Es + Ca → Uue* → không phản ứng

Người cho rằng các phản ứng này sẽ không tạo ra nguyên tử ununenni trong tương lai gần, khiến việc tạo einsteini-254 trở nên khó hơn do khối lượng lớn và chu kỳ bán rã dài 270 ngày. Tuy nhiên, ununenni là nguyên tử chu kỳ 8 đầu tiên trong bảng tuần hoàn hóa học mở rộng, có thể được tạo ra thông qua các phản ứng khác, với nỗ lực tổng hợp tại Nhật Bản. Chưa có thành công nào trong việc điều chế nguyên tử chu kỳ 8, do số hiệu nguyên tử lớn. Cần các phương pháp mới để tiếp tục.

Phổ biến

Trong Hệ Mặt Trời

Quy luật Oddo-Harkins cho rằng nguyên tử số chẵn phổ biến hơn số lẻ, ngoại trừ hydro. Các nguyên tử số lẻ thường giữ một proton dư để trở thành số chẵn. Đối với nguyên tử số chẵn, các proton thường bắt cặp để tăng tính ổn định. Kim loại kiềm đều số lẻ và không phổ biến như nhóm khí trơ và kim loại kiềm thổ trong Hệ Mặt Trời. Kim loại kiềm nặng ít phổ biến hơn các kim loại nhẹ, chỉ tồn tại từ rubidi trở đi và không thể tổng hợp từ hạt nhân sao. Lithi ít hơn natri và kali do tổng hợp ít từ Vụ Nổ Lớn và các sao.

Trong Trái Đất