鹼金屬(Alkali Metals)

鹼金屬(Alkali Metals)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

在元素週期表當中最左側的第１族(Group 1 Elements)元素依序包含了氫(H, Hydrogen)、鋰(Li, Lithium)、鈉(Na，Sodium)、鉀(K, Potassium)、銣(Rb, Rubidium)、銫(Cs, Cesium)、鍅(Fr, Francium)。鍅為人工合成之放射性元素，其半衰期相當短之外，其餘均不具有放射性，可穩定存在。氫雖然置於鋰的上方，然而其性質與下方六個元素有相當大的不同，其性質較為特殊，另成一派。剩餘在第1族的五個元素(Li, Na, K, Rb, Sr)彼此之間性質相似，統稱鹼金屬(Alkali Metals)。

圖一、鹼土金屬http://en.wikipedia.org/wiki/File:Alkalimetalle.jpg

鹼金屬在常溫常壓下，為銀白色、低硬度的金屬固體。由於反應性相當高，在空氣中暴露即會迅速氧化變色，並級易與水反應，因此必須儲存於石油當中。此外鹼金屬密度較低，大約在0.5至2 g/cm³之間，大致隨著原子序而提高，但是鈉的密度較鉀高。鹼金屬的熔點亦較低，最高為鋰約180.5℃，最低如銫為28.5℃，已僅略高於室溫。

鹼金屬的電子組態為ns¹，最外層的s軌域上只有一顆電子，若將此電子捨去，則可以形成較為穩定的惰性氣體電子組態。因此鹼金屬之第一游離能(1^st ionization energy)很低，容易失去一顆電子形成單一正電荷的陽離子(M⁺)。相較於其第一游離能而言，其第二游離能是相當高的；這是因為要從一個帶有穩定惰性氣體電子組態的離子再移去一顆電子，是相當不容易的事情。

鹼金屬的得名源自典型的鹼金屬與水反應：

2 M (s) + 2 H₂O (l) → 2 M⁺(aq) + 2 OH^– (aq) + H₂ (g)↑

鹼金屬氧化形成一價陽離子，而在水中的氫則被還原，產生氫氣逸出。反應相當容易發生，即便在室溫下也會劇烈反應且大量放熱，有發生爆炸的危險。因為在反應當中產生了氫氧根離子，反應後溶液為鹼性，故稱此類金屬為鹼金屬。由於有一價陽離子的生成，反應的劇烈程度應該受到金屬元素第一游離能影響，Li和水的反應是鹼金屬中最溫和（Li的第一游離能最大），但根據實驗結果Li和水是最激烈的，這是因為產生的Li⁺是很小的離子，Li⁺和水變成水合離子時放出比Na⁺、K⁺更大量的水合能，因而大大加速反應進行。

鹼金屬與非金屬元素以離子鍵(Ionic bond)鍵結並形成鹽類。鹼金屬鹽類以礦物的形式存在於自然界當中，不會以元素態方式出現。 海水也富含鹼金屬離子。鹼金屬由於較不穩定，一般而言會透過電解鹵化物的方式製備，如鈉可用電解食鹽得到；或者是透過熔融的鹽類、氫氧化物，利用置換法與鈉、鎂等金屬反應。

資料來源：
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; pp. 871-873.
2. Miessler, G. L.; Tarr, D. A. Inorganic Chemistry, 3rd edition; Pearson Education International: Upper Saddle River, 2006; pp. 249-250.
3. Wikipedia—Alkali metal  http://en.wikipedia.org/wiki/Alkali_metal