Il y a des métaux alcalins tout autour de vous en ce moment. Le sodium se trouve dans le sel de table, le lithium dans la batterie de votre téléphone et le potassium dans vos bananes.
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Les métaux alcalins sont les six éléments chimiques différents trouvés dans la première colonne du tableau périodique :lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), césium (Cs) et francium (Fr).
Le groupe des métaux alcalins fait partie du bloc S d'éléments du tableau périodique qui, avec l'hydrogène, l'hélium, le calcium et d'autres, ont leur électron le plus externe dans une orbitale S.
Les métaux alcalins sont des métaux mous très réactifs avec l’eau et l’oxygène. Ils sont si mous qu'on peut les couper avec un couteau en plastique. Ils ont également un éclat argenté et sont d'excellents conducteurs de chaleur et de lumière.
Les métaux alcalins sont ainsi appelés parce que lorsque les métaux alcalins réagissent avec l'eau, ils créent des substances hautement alcalines. L'alcalinité fait référence au pH de la substance ou à la capacité de neutraliser l'acide. Les substances hautement alcalines peuvent former des bases fortes capables de neutraliser les acides et de maintenir un niveau de pH stable.
Les métaux alcalins ne doivent pas être confondus avec les métaux alcalino-terreux.
Chaque élément possède un noyau composé de protons et de neutrons, et les métaux alcalins ne sont pas différents. Autour du noyau des atomes se trouvent des électrons, qui sont des particules chargées négativement. Ces électrons existent dans des couches énergétiques autour du noyau des atomes, chacune pouvant contenir un nombre variable d’électrons. La première couche peut contenir jusqu’à deux électrons; le deuxième jusqu'à huit; le troisième, 18 ans; et le quatrième, 32. Ce sont ces couches d'électrons et la façon dont les métaux alcalins sont structurés qui les rendent si réactifs.
Tous les atomes veulent naturellement posséder un ensemble complet d’électrons externes. Cependant, les éléments de cette première colonne du tableau périodique ont tous un électron dans leur couche la plus externe. Cette coque externe est également appelée couche de valence, et les électrons qui y résident sont appelés électrons de valence.
Le fait de n’avoir qu’un seul électron de valence dans la couche la plus externe permet aux atomes de métaux alcalins d’atteindre très facilement des points de stabilité :il leur suffit de perdre un électron ! Cette volonté et cette facilité de perdre un électron pour atteindre un état d’équilibre sont connues sous le nom de réactivité élevée. En fait, la réactivité en chimie est définie par le nombre d'électrons dans la couche la plus externe.
Les gaz rares (éléments comme le néon et l’hélium) sont peu réactifs car leurs couches électroniques les plus externes sont pleines. C'est pourquoi les chimistes parlent d'atomes souhaitant atteindre une « configuration de gaz rares ».
"Comme les métaux alcalins n'ont qu'un seul électron de valence, ils atteignent généralement cet état en abandonnant cet électron. Dans ce processus, on dit que le métal alcalin est oxydé et tout ce qui prend l'électron du métal alcalin est réduit. Tous les métaux alcalins sont oxydés et tout ce qui prend l'électron du métal alcalin est réduit. les métaux alcalins aiment abandonner leur électron de valence unique", explique le Dr Chip Nataro, professeur de chimie au Lafayette College d'Easton, en Pennsylvanie.
"Comme les électrons ont une charge de -1, la perte d'un électron amène l'atome à avoir une charge de +1. Lorsque cela se produit, l'atome est appelé un ion et comme il aurait une charge positive, il est appelé un cation. . Ainsi, tous les métaux alcalins aiment fabriquer des cations qui ont une charge de +1."
Étant donné que les métaux alcalins réagissent facilement, ils se trouvent généralement en conjonction avec d’autres métaux dans la nature. Par exemple, le chlorure de sodium (sel de table) et le carbonate de sodium (soude) sont des composés de sodium largement disponibles.
Si un élément est très réactif, il est plus difficile de trouver sa forme pure dans la nature.
"Tous ces éléments ont été découverts pour la première fois dans des composés [et] certaines découvertes sont difficiles à attribuer en raison de l'abondance et de l'utilisation des composés", explique Nataro. "Au fur et à mesure que vous parcourez le tableau périodique, les métaux alcalins deviennent plus enclins à perdre leur électron de valence" et ainsi, "la quantité de l'élément trouvée dans la nature diminue également, [entraînant] des dates de découverte plus tardives."
Le lithium a été découvert pour la première fois en 1817 lorsque Johan August Arfwedson, un chimiste suédois, analysait un minerai. Le césium et le rubidium ont été découverts respectivement en 1860 et 1861 par les chimistes allemands Robert Bunsen (qui a prêté son nom au bec Bunsen) et Gustav Kirchhoff (qui a conçu les lois de Kirchhoff pour le courant électrique). Le francium, le plus réactif des métaux alcalins que nous connaissons actuellement, a été découvert en 1939 par la scientifique française Marguerite Perey à l'Institut Curie de Paris.
Le sodium et le potassium, deux métaux alcalins très courants, ont des dates de découverte inconnues car ils sont utilisés depuis très longtemps. Mais les scientifiques n'ont pas été capables d'isoler les éléments purs avant le célèbre chimiste Humphrey Davy en 1807. Le rubidium n'a été isolé qu'en 1928, également par Bunsen et Kirchhoff.
Les métaux alcalins réagissent vigoureusement à l'eau et à l'air. Ces éléments danseront, grésilleront en raison de la production d’hydrogène gazeux, et exploseront souvent. Ils deviennent également plus réactifs à mesure que vous descendez dans le tableau périodique, le césium et le francium étant si réactifs qu'ils peuvent s'enflammer simplement en étant exposés à l'air. Les éléments augmentent également en rayon atomique, diminuent en électronégativité et diminuent en points de fusion et d'ébullition à mesure que vous descendez dans le tableau périodique.
Vous pourriez vous demander comment les métaux alcalins ont pu être découverts dans la nature s’ils réagissent si violemment à l’air et à l’eau. Eh bien, il s’avère que la plupart des métaux alcalins se trouvent dans la nature sous forme d’ions en raison de leur fort désir de réagir et de perdre cet électron de valence. Sous leur forme ionique, les métaux sont beaucoup moins réactifs.
Les métaux alcalins ont une dualité chimique intéressante, car ils sont très courants dans la vie quotidienne mais également très rares sous leurs formes élémentaires brutes.
Par exemple, les ions potassium et sodium sont des nutriments essentiels; en tant qu'électrolytes, ils régulent la pression artérielle et l'équilibre hydrique du corps. Vous ne pouvez pas acheter d'atomes de sodium purs au magasin, mais vous pouvez en trouver dans de nombreux aliments ainsi que dans le sel de table (chlorure de sodium), le bicarbonate de soude (bicorbonate de sodium) et la lessive (hydroxyde de sodium ou soude caustique).
Les sels de potassium (chlorure de potassium) peuvent être utilisés pour traiter l’hypokaliémie et constituent un ingrédient important des engrais commerciaux. L'hydroxyde de potassium est utilisé dans les solutions savonneuses. Le nitrate de potassium (salpêtre) était utilisé pour fabriquer de la poudre à canon et, incidemment, est un excellent conservateur alimentaire, chargé de donner aux hot-dogs et autres viandes transformées leur teinte rose.
Le lithium est utilisé dans la production de batteries et les sels de lithium sont utilisés comme médicament stabilisateur de l'humeur.
Les éléments les plus réactifs, le césium, le rubidium et le francium, ont moins d'utilités naturelles. Le césium est utilisé dans les horloges atomiques, le forage et la création de verre optique, entre autres applications hautement spécialisées. Le rubidium est utilisé dans l'imagerie médicale et les tubes à vide. Le francium, qui est très rare, n'a pas beaucoup d'applications commerciales mais est utilisé dans la recherche et pour diagnostiquer certaines formes de cancer.
Enfin, tous les métaux alcalins sont également des outils pédagogiques extrêmement utiles dans le domaine de la chimie. Les enseignants adorent démontrer le principe de réactivité en laissant tomber un métal alcalin dans l'eau uniquement pour que la classe puisse le regarder avec admiration alors qu'il crache du feu et explose.
Maintenant, c'est radioactif !Le francium est le plus rare des métaux alcalins et le deuxième élément le plus rare de la croûte terrestre (on estime qu'il y en a seulement 340 à 550 grammes, soit environ 1 livre). Il se trouve également qu’il est hautement radioactif et a une durée de vie maximale de seulement 22 minutes. Le francium n'a jamais été déposé dans l'eau, car il est si rare et si cher, mais les scientifiques s'attendent à ce qu'il ait la réaction la plus élevée de tous les métaux alcalins.
