第1族元素
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1
周期
11
H
23
Li
311
Na
419
K
537
Rb
655
Cs
787
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

1 アルカリ金属

2 性質

3 単体金属

4 化合物

4.1 水素化物

4.2 酸化物

4.3 水酸化物

4.4 ハロゲン化物

4.4.1 構造



5 合金

6 註・出典

7 参考文献

8 関連項目


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[1]

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

水素を除く第1族元素のリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムはアルカリ金属元素と呼ばれ、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。また、リチウムは直接窒素と反応するなど、一部の物性において他のアルカリ金属元素とは異なった性質を有している[2]

水素と他のアルカリ金属元素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ため、電子を核から引き離すためのイオン化エネルギーが非常に大きく、閉殻構造が無く安定化の寄与が存在しない。このようなs電子のふるまいの違いが、水素には共有結合性を与え、アルカリ金属元素には金属性を与えている。

一方で、リチウムとその他のアルカリ金属元素の違いは、リチウムのイオン半径に起因している。リチウムはイオン半径が小さいため、電荷/イオン半径比が他のアルカリ金属元素と比較して著しく大きい。そのため、反応性や化合物の性質において、1価のアルカリ金属イオンよりもむしろ、同様に電荷/イオン半径比の大きい2価のアルカリ土類金属元素であるマグネシウムイオンに類似した性質を示す[2]。例えば、リチウムはマグネシウムと同様、窒素と直接反応して窒化物を形成するが、他のアルカリ金属元素は窒素に対して反応しない。また、リチウムの硫酸塩は、他のアルカリ金属の硫酸塩がミョウバンを形成するのと対照的に、ミョウバンを形成しない[3]

第1族元素は、仕事関数が小さく、原子半径が大き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フランシウム
87Fr
電子配置1s1[He]2s1[Ne]3s1[Ar]4s1[Kr]5s1[Xe]6s1[Rn]7s1
第1イオン化エネルギー
(kJ・mol?1)1312513.3495.8418.8403.0375.7392.8
電子付加エンタルピー
(kJ・mol?1)????46.8845.51?
電子親和力
(kJ・mol?1)72.7759.6352.87????
電気陰性度
(Allred?Rochow)2.200.971.010.910.890.86?
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)37134154196211225260
van der Waals半径
(pm)120182227275244343348
融点
(K)14.025453.69370.87336.53312.46301.59300
沸点
(K)20.268161511561032961944950
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単体のサンプル

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。リチウムおよびナトリウムの単体金属を得るためには、これらの酸化還元電位がいずれも非常に低い(つまり非常に還元されにくい)が、溶融塩を電気分解することで生産することができる[4]。(水溶液だとH2Oが分解され水素が発生する)カリウム、ルビジウム、セシウムは低融点かつ気化しやすいため単純な電気分解による生産には適しておらず、カリウムは溶融させた塩化カリウムをナトリウム蒸気と反応させることで作られ、ルビジウムおよびセシウムはそれぞれの水酸化物を金属マグネシウムや金属カルシウムによって還元させることで得られる[5][6]。代表的な工業生産法には、溶融した塩化ナトリウム融点降下剤として塩化カルシウムを加え、それを電気分解することで金属ナトリウムを得るダウンズ法がある[7]。このアルカリ金属元素の強い還元性は他にも、有機化学の分野におけるバーチ還元 (Burch reduction) などに利用される。

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)。アルカリ金属の反応性の高さは原子量の大きいものほど高い傾向があるが、窒素との反応に関しては例外的にリチウムのみが直接的な反応によって窒化リチウム (Li3N)を生成する[2]

アルカリ金属元素は、いずれも炎色反応を示す[8]。ナトリウムの発光はD線と呼ばれる波長589 nmの単色光であるため、単色光でないと測定ができない旋光度を測定するための光源に利用される[9]。このD線は、実際は1本の輝線ではなく、波長589.592 nmのD1線と波長588.995 nmのD2線の2本に分かれた双子線である。これは、ナトリウムの最外殻電子のスピンが2方向あるためであり、同様の理由によりナトリウム以外のアルカリ金属元素のスペクトルも双子線となる[10]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。

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

また、フランシウム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。

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。


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