알칼리 금속
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1. 개요
알칼리 금속은 주기율표 1족에 속하는 화학 원소로, 수소(수소는 일반적으로 알칼리 금속으로 간주되지 않음)를 제외하고 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr)으로 구성된다. 이들은 은백색을 띠며, 반응성이 매우 커서 자연 상태에서는 순수한 금속 형태로 존재하지 않고 화합물 형태로 발견된다. 1807년 험프리 데이비가 칼륨과 나트륨을 전기 분해로 분리하면서 처음 발견되었으며, 이후 루비듐, 세슘, 프랑슘이 분광기와 방사성 붕괴 연구를 통해 발견되었다. 알칼리 금속은 최외각 전자가 1개로, 이 전자를 쉽게 잃고 +1가의 양이온이 되려는 경향이 있으며, 원자 반지름, 반응성, 녹는점, 끓는점, 전기 음성도 등에서 주기적인 경향성을 보인다.
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2. 역사
소금과 같은 나트륨 화합물은 고대부터 알려져 있었고, 칼리 역시 고대부터 사용되었으나, 대부분의 역사 동안 소듐 광물염과 근본적으로 다른 물질이라는 사실은 알려지지 않았다. 1702년 게오르크 에른스트 슈탈은 나트륨염과 칼륨염의 근본적인 차이를 시사하는 실험적 증거를 얻었고, 앙리 루이 뒤아멜 드 몽소는 1736년에 이 차이를 증명했다.[7] 당시 칼륨과 소듐 화합물의 정확한 화학적 조성과 칼륨과 소듐의 원소로서의 지위는 알려지지 않았기 때문에, 앙투안 라부아지에는 1789년 그의 원소 목록에 알칼리 금속을 포함시키지 않았다.[9][10]
1807년 영국의 험프리 데이비는 볼타 전지를 사용하여 가성 칼리를 전기 분해하여 순수한 칼륨을 처음으로 분리했고,[95] 같은 해 가성 소다를 전기 분해하여 나트륨을 추출함으로써 이 원소들이 서로 다르다는 것을 증명했다.[12][13] 1800년 브라질의 화학자 조제 보니파시우 지 안드라다가 스웨덴 우퇴섬의 광산에서 페탈라이트를 발견했고,[14][15][16] 1817년 요한 아우구스트 아르프베손이 페탈라이트 광석을 분석하던 중 새로운 원소인 리튬의 존재를 확인하였다.[17][18] 루비듐과 세슘은 1859년 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프가 발명한 분광기를 사용하여 발견한 최초의 원소이다.[21]
1865년경 존 뉴랜즈는 원소들을 원자량 순서대로 배열했을 때 비슷한 성질이 8개 간격으로 반복되는 현상을 발견하고, 이를 음악의 옥타브에 비유했다.[25][26] 1869년 드미트리 멘델레예프는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 탈륨을 1족에 배치하는 주기율표를 제안했다.[27] "알칼리 금속"이라는 명칭은 이들 원소의 수산화물이 물에 녹았을 때 강한 알칼리성을 나타내는 것에서 유래되었다.[6]
1939년 프랑스 파리 퀴리 연구소의 마르게리트 페레는 악티늄-227 샘플을 정제하여 프랑슘을 발견했다.[30][90][31][32] 페레는 악티늄-227의 알파 붕괴로 생겨난 87번 원소가 알칼리 금속의 화학적 특성을 보인다는 것을 확인했다.[33]
2. 1. 알칼리 금속의 발견과 분리
소금(염화 나트륨)과 같은 나트륨 화합물은 고대부터 인류에게 중요했으며, 'salary'라는 영어 단어도 로마 병사들에게 소금 구매를 위해 지급된 돈인 '살라리움(''salarium'')'에서 유래했다.[256] 칼리 역시 고대부터 사용되었지만, 소금과는 다른 물질이라는 것은 알려지지 않았다. 1702년 게오르크 에른스트 슈탈은 나트륨염과 칼륨염의 차이를 실험적으로 제시했고,[257] 1736년 앙리 루이 뒤하멜 뒤 몽소가 이를 증명했다.[258] 그러나 당시에는 칼륨과 나트륨 화합물의 정확한 화학 조성과 원소로서의 지위가 알려지지 않아, 앙투안 라부아지에는 1789년 그의 원소 목록에 알칼리 금속을 포함시키지 않았다.[259][260]1807년 영국의 험프리 데이비는 가성 칼리(KOH) 용융염을 볼타 전지로 전기 분해하여 순수한 칼륨을 처음으로 분리했다. 칼륨은 전기 분해로 분리된 최초의 금속이다.[262] 같은 해 데이비는 가성 소다(NaOH)를 이용하여 나트륨을 분리하고, 두 원소가 다르다는 것을 증명했다.[259][260][263][264]
페탈라이트(LiAlSi4O10)는 1800년 브라질의 화학자 조제 보니파시우 지 안드라다가 스웨덴 우퇴섬의 광산에서 발견했다.[265][266][267] 1817년 요한 아우구스트 아르프베손은 페탈라이트 광석 분석 중 새로운 원소의 존재를 감지했다.[268][269] 이 원소는 나트륨, 칼륨과 유사한 화합물을 형성하지만, 탄산염과 수산화물은 물에 덜 녹고 알칼리성이 더 강했다.[270] 옌스 야코브 베르셀리우스는 이 물질을 "돌"을 뜻하는 그리스어 λιθoς|lithosel에서 유래한 "리튬(lithium)"이라 명명했다.[271][266][269] 리튬, 나트륨, 칼륨은 1850년 요한 볼프강 되베라이너가 발견한 원소 주기성의 일부이다.[272]
루비듐과 세슘은 1859년 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프가 발명한 분광기를 이용해 발견한 최초의 원소이다.[273] 1860년 바트뒤르카임의 광천수에서 세슘을, 이듬해 하이델베르크에서 레피돌라이트에서 루비듐을 발견했다.[274] 루비듐(rubidus)은 밝은 빨간색, 세슘(caesius)은 하늘색 방출 스펙트럼 선에서 유래했다.[275][276]
2. 2. 주기율표에서의 위치와 명명
1865년경 존 뉴랜즈는 원소들을 원자량 순서대로 배열했을 때 8개 간격으로 비슷한 성질이 반복되는 현상을 발견하고, 이를 음악의 옥타브에 비유했다. 뉴랜즈는 당시 알려진 모든 알칼리 금속(리튬에서 세슘까지)을 구리, 은, 탈륨과 함께 하나의 족으로 묶었다.[277][278][272]1869년 드미트리 멘델레예프는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 등을 1족에 배치하는 주기율표를 제안했다.[279] 2년 후 멘델레예프는 수소를 리튬이 속한 1족 위에 배치하고, 탈륨은 붕소족으로 이동시키는 수정된 주기율표를 발표했다. 18열 주기율표 도입 후, 알칼리 금속은 1A족에 남았고, 1988년에 1족으로 이름이 바뀌었다.[255]
"알칼리 금속"이라는 명칭은 이들 원소의 수산화물이 물에 녹았을 때 강한 알칼리성을 나타내는 것에서 유래되었다.[282]
1939년 마르게리트 페레는 악티늄-227 샘플에서 프랑슘을 발견했다.[283][344][284][285] 페레는 악티늄-227의 알파 붕괴로 생겨난 87번 원소가 알칼리 금속의 화학적 특성을 보인다는 것을 확인했다.[286]
3. 존재
알칼리 금속은 반응성이 매우 커서 자연에서 원소 상태로 발견되지 않는다. 이들은 산소와 쉽게 결합하여 광물을 형성하며, 이산화 규소와 강하게 결합하여 상대적으로 밀도가 낮은 광물을 만든다. 이 때문에 지구 중심부로 가라앉지 않고 지구 표면 근처에 남게 된다. 칼륨, 루비듐, 세슘은 이온 반지름이 커서 비호환 원소로 분류된다.[296]
나트륨과 칼륨은 지구 지각에서 가장 풍부한 10가지 원소에 속한다.[297][298] 나트륨은 지각에서 6번째로 풍부한 원소로 지각 질량의 약 2.6%를 차지하며,[299] 칼륨은 7번째로 풍부한 원소로 지각 질량의 약 1.5%를 차지한다.[299] 나트륨은 암염, 각섬석, 빙정석 등 다양한 광물에서 발견된다. 특히 바닷물에 녹아있는 소금(염화 나트륨)이 가장 흔하다.[299] 이러한 고체 퇴적물은 대부분 고대 바다가 증발하면서 만들어졌으며, 현재도 미국 유타주의 그레이트솔트호나 중동의 사해 등에서 생성되고 있다.[261]
리튬은 크기가 작아 나트륨이나 칼륨과 함께 산출되지 않는 경우가 많다.[261] 상대적으로 반응성이 낮아 바닷물에서 미량(약 0.14~0.25 ppm,[300][301] 또는 25 마이크로몰라)으로 발견된다.[302] 지각에서는 갈륨이나 나이오븜과 비슷한 약 18 ppm 농도로 존재하며, 주로 스포듀민과 같은 광물에서 발견된다.[261]
루비듐은 아연만큼 풍부하고 구리보다 더 많이 존재한다. 백류석, 폴루사이트, 레피돌라이트 등의 광물에서 발견되지만,[303] 이들 광물에는 루비듐 외에 다른 알칼리 금속도 포함되어 있다.[261] 세슘은 안티모니, 카드뮴, 주석, 텅스텐보다는 풍부하지만, 루비듐보다는 훨씬 덜 풍부하다.[304]
프랑슘의 유일한 천연 동위 원소인 프랑슘-223은[312][313] 악티늄-227의 알파 붕괴 생성물로, 우라늄 광물에서 극미량 발견된다.[305] 우라늄 원자 1018개당 프랑슘 원자 하나 정도가 존재하며,[306][307] 반감기가 22분으로 매우 짧아 지구 표면에는 프랑슘이 거의 존재하지 않는다(최대 30g).[308][309]
3. 1. 우주에서의 존재
오도-하킨스 규칙에 따르면 수소를 제외한 모든 원소는 원자 번호가 짝수인 경우가 홀수인 경우보다 우주에 더 많이 존재한다. 알칼리 금속은 모두 원자 번호가 홀수이기 때문에, 원자 번호가 짝수인 비활성 기체나 알칼리 토금속만큼 우주에 많지 않다.[43][44][45]
리튬은 대폭발 핵합성과 항성 핵합성 모두에서 잘 만들어지지 않아 나트륨이나 칼륨보다 훨씬 적게 존재한다. 대폭발 당시에는 핵자 5~8개를 가진 안정한 핵이 없어 리튬, 베릴륨, 붕소가 소량만 만들어졌다. 항성 핵합성에서는 삼중 알파 과정을 통해 탄소가 만들어지면서 이 세 원소는 생성 과정에서 제외된다.[42]
루비듐 이후의 무거운 알칼리 금속은 항성 핵합성으로는 만들어지지 않고 초신성에서만 합성될 수 있다. 따라서 가벼운 알칼리 금속보다 우주에 덜 존재한다.[42]
3. 2. 지구에서의 존재
알칼리 금속은 반응성이 매우 커서 자연에서 원소 상태로 발견되지 않는다. 이들은 산소와 쉽게 결합하여 광물을 형성하며, 이산화 규소와 강하게 결합하여 상대적으로 밀도가 낮은 광물을 만든다. 이 때문에 지구 중심부로 가라앉지 않고 지구 표면 근처에 남게 된다. 칼륨, 루비듐, 세슘은 이온 반지름이 커서 비호환 원소로 분류된다.[296]나트륨과 칼륨은 지구 지각에서 가장 풍부한 10가지 원소에 속한다.[297][298] 나트륨은 지각에서 6번째로 풍부한 원소로 지각 질량의 약 2.6%를 차지하며,[299] 칼륨은 7번째로 풍부한 원소로 지각 질량의 약 1.5%를 차지한다.[299] 나트륨은 암염, 각섬석, 빙정석 등 다양한 광물에서 발견된다. 특히 바닷물에 녹아있는 소금(염화 나트륨)이 가장 흔하다.[299] 이러한 고체 퇴적물은 대부분 고대 바다가 증발하면서 만들어졌으며, 현재도 미국 유타주의 그레이트솔트호나 중동의 사해 등에서 생성되고 있다.[261]
리튬은 크기가 작아 나트륨이나 칼륨과 함께 산출되지 않는 경우가 많다.[261] 상대적으로 반응성이 낮아 바닷물에서 미량(약 0.14~0.25 ppm,[300][301] 또는 25 마이크로몰라)으로 발견된다.[302] 지각에서는 갈륨이나 나이오븀과 비슷한 약 18 ppm 농도로 존재하며, 주로 스포듀민과 같은 광물에서 발견된다.[261]
루비듐은 아연만큼 풍부하고 구리보다 더 많이 존재한다. 백류석, 폴루사이트, 레피돌라이트 등의 광물에서 발견되지만,[303] 이들 광물에는 루비듐 외에 다른 알칼리 금속도 포함되어 있다.[261] 세슘은 안티모니, 카드뮴, 주석, 텅스텐보다는 풍부하지만, 루비듐보다는 훨씬 덜 풍부하다.[304]
프랑슘의 유일한 천연 동위 원소인 프랑슘-223은[312][313] 악티늄-227의 알파 붕괴 생성물로, 우라늄 광물에서 극미량 발견된다.[305] 우라늄 원자 1018개당 프랑슘 원자 하나 정도가 존재하며,[306][307] 반감기가 22분으로 매우 짧아 지구 표면에는 프랑슘이 거의 존재하지 않는다(최대 30g).[308][309]
4. 성질
알칼리 금속은 최외각에 s-오비탈 전자(ns1)를 1개 가지고 있어 이 전자를 쉽게 잃고 +1가 양이온이 되기 쉽다.[261] 유효 핵전하가 낮고,[282] 전자 하나를 잃어 비활성 기체와 같은 안정한 전자 배치를 이룰 수 있기 때문에 두 번째 이온화 에너지는 매우 높다.[261] 따라서 알칼리 금속은 주기율표에서 같은 주기에 있는 다른 원소들보다 첫 번째 이온화 에너지가 가장 낮다.[322]
알칼리 금속은 반응성이 매우 커서 자연 상태에서는 원소 형태로 발견되지 않으며,[271] 주로 광물유나 등유에 보관한다.[320] 할로젠과 반응하여 플루오린화 리튬(LiF)을 제외하고 모두 물에 녹는 흰색의 이온 결정 화합물인 알칼리 금속 할로젠화물을 형성한다.[282] 물과 반응하여 강한 알칼리성 수산화물을 만들고 수소 기체를 발생시키기 때문에 매우 주의해서 다루어야 한다.[282] 무거운 알칼리 금속일수록 반응성이 더 크다.[282][321][304] 예를 들어 물에 동일한 몰수의 금속을 넣으면 세슘은 칼륨보다 더 큰 폭발을 일으킨다.[282][321][304]
알칼리 금속을 물에 떨어뜨리면 발생하는 폭발은 두 단계로 나뉜다. 먼저 금속이 물과 반응하여 수소 기체를 생성하는데, 반응성이 큰 무거운 알칼리 금속일수록 이 과정이 더 빠르게 일어난다. 두 번째로, 첫 번째 반응에서 발생한 열로 인해 수소 기체가 점화되어 주변 공기 중에서 폭발적으로 연소된다.[69]
알칼리 금속은 알코올, 페놀, 기체 암모니아, 알카인 등의 양성자 주개와도 반응한다.[261] 강력한 환원제로서 다른 산화물이나 할로젠화물에서 금속을 분리하는데 유용하게 사용된다.[261] 리튬은 다른 알칼리 금속과 달리 질소와 직접 반응하여 질화물을 형성하며, 마그네슘과 대각 관계를 보인다.[332]
프랑슘은 높은 원자량과 상대론적 효과로 인해 세슘보다 전기 음성도와 이온화 에너지가 높을 것으로 예측된다.[314]
4. 1. 물리적 성질
알칼리 금속은 ns1 전자 배치를 가져 약한 금속 결합을 하기 때문에 물리적 성질을 쉽게 설명할 수 있다. 모든 알칼리 금속은 무르고 밀도, 녹는점, 끓는점이 낮다.[6] 또한 승화열, 기화열, 해리열도 낮다.[95] 체심 입방 격자 결정 구조를 가지며, 바깥쪽 s-전자가 쉽게 들떠 독특한 불꽃색을 띤다.[95] ns1 배열은 알칼리 금속이 매우 큰 원자 반지름과 이온 반지름을 가지게 하며, 열전도도와 전기 전도도가 매우 높다.[95]| 이름 | 리튬 | 나트륨 | 칼륨 | 루비듐 | 세슘 | 프랑슘 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 원자 번호 | 3 | 11 | 19 | 37 | 55 | 87 |
| 녹는점 (°C) | 180.54 | 97.72 | 63.38 | 39.31 | 28.44 | ? |
| 끓는점 (°C) | 1342 | 883 | 759 | 688 | 671 | ? |
| 밀도 (g·cm−3) | 0.534 | 0.968 | 0.89 | 1.532 | 1.93 | ? |
| 융해열 (kJ·mol−1) | 3.00 | 2.60 | 2.321 | 2.19 | 2.09 | ? |
| 기화열 (kJ·mol−1) | 136 | 97.42 | 79.1 | 69 | 66.1 | ? |
| 25 °C에서의 전기 저항 (nΩ·cm) | 94.7 | 48.8 | 73.9 | 131 | 208 | ? |
| 원자 반지름 (pm) | 152 | 186 | 227 | 248 | 265 | ? |
| M+ 양이온의 이온 반지름 (pm) | 76 | 102 | 138 | 152 | 167 | ? |
| 불꽃색 주 방출/흡수 파장 (nm) | 진홍색 670.8 | 노란색 589.2 | 보라색 766.5 | 자주색 780.0 | 파랑색 455.5 | ? |
알칼리 금속은 다른 어떤 족보다 서로 더 유사하다.[6] 주기율표 아래로 내려갈수록 모든 알칼리 금속은 원자 반지름이 증가하고,[66] 전기 음성도가 감소하며,[66] 녹는점과 끓는점, 융해열, 기화열은 감소한다.[95] 칼륨이 나트륨보다 밀도가 낮은 것을 제외하면, 일반적으로 밀도는 증가한다.[66]
안정된 알칼리 금속은 세슘을 제외하면 모두 은색 금속이다.[67] 세슘은 옅은 황금색을 띠는데, 이는 색깔이 뚜렷한 세 금속 중 하나이다(나머지 둘은 구리와 금이다).[95] 무거운 알칼리 토금속인 칼슘, 스트론튬, 바륨과 2가 양이온인 란타넘족 원소인 유로퓸, 이터븀도 옅은 노란색이지만, 세슘보다 색이 덜 뚜렷하다.[95]
4. 2. 화학적 성질
알칼리 금속은 최외각에 s-오비탈 전자 (ns1)를 1개 가지고 있어 이 전자를 쉽게 잃고 +1가의 양이온이 되기 쉽다.[261] 두 번째 이온화 에너지는 매우 높기 때문에, 알칼리 금속은 거의 항상 하나의 전자를 잃고 양이온을 형성한다.[261] 이는 유효 핵전하가 낮고,[282] 전자 하나를 잃어 비활성 기체와 같은 안정한 전자 배치를 이룰 수 있기 때문이다.[282] 따라서 알칼리 금속은 주기율표에서 같은 주기에 있는 다른 원소들보다 첫 번째 이온화 에너지가 가장 낮다.[322]알칼리 금속은 반응성이 매우 커서 자연 상태에서는 원소 형태로 발견되지 않으며,[271] 주로 광물유나 등유에 보관한다.[320] 할로젠과 반응하여 플루오린화 리튬(LiF)을 제외하고 모두 물에 녹는 흰색의 이온 결정 화합물인 알칼리 금속 할로젠화물을 형성한다.[282]
물과 반응하여 강한 알칼리성 수산화물을 만들고 수소 기체를 발생시키기 때문에 매우 주의해서 다루어야 한다.[282] 무거운 알칼리 금속일수록 반응성이 더 크다.[282][321][304] 예를 들어 물에 동일한 몰수의 금속을 넣으면 세슘은 칼륨보다 더 큰 폭발을 일으킨다.[282][321][304]
알칼리 금속을 물에 떨어뜨리면 발생하는 폭발은 두 단계로 나뉜다. 먼저 금속이 물과 반응하여 수소 기체를 생성하는데, 반응성이 큰 무거운 알칼리 금속일수록 이 과정이 더 빠르게 일어난다. 두 번째로, 첫 번째 반응에서 발생한 열로 인해 수소 기체가 점화되어 주변 공기 중에서 폭발적으로 연소된다.[69]
알칼리 금속은 알코올, 페놀, 기체 암모니아, 알카인 등의 양성자 주개와도 반응한다.[261] 강력한 환원제로서 다른 산화물이나 할로젠화물에서 금속을 분리하는데 유용하게 사용된다.[261]
리튬은 다른 알칼리 금속과 달리 질소와 직접 반응하여 질화물을 형성하며, 마그네슘과 대각 관계를 보인다.[332]
프랑슘은 높은 원자량과 상대론적 효과로 인해 세슘보다 전기 음성도와 이온화 에너지가 높을 것으로 예측된다.[314]
4. 3. 원자핵
알칼리 금속은 모두 홀수 원자 번호를 가지므로, 동위 원소는 홀수-홀수 또는 홀수-짝수 핵을 가진다. 대부분의 알칼리 금속 동위 원소는 홀수-짝수 핵이며, 리튬-6과 칼륨-40만이 예외적으로 홀수-홀수 핵이다. 홀수-홀수 핵은 대부분 베타 붕괴에 대해 매우 불안정하며, 붕괴 생성물은 핵 짝짓기 효과로 인해 더 강하게 결합된 짝수-짝수 핵이 된다.[338]리튬과 세슘을 제외한 모든 알칼리 금속은 적어도 하나의 천연 방사성 동위 원소를 가진다. 나트륨-22와 나트륨-24는 우주선에 의해 생성되는 미량 방사성 동위 원소이며,[339] 칼륨-40과 루비듐-87은 매우 긴 반감기를 가져 자연적으로 발견된다.[342] 프랑슘의 모든 동위 원소는 방사성이다.[342] 과거 세슘은 방사성을 가진다고 생각되었지만,[340][341] 자연에서 발견되는 방사성 동위 원소는 없다.[342] 천연 칼륨의 약 0.012%를 차지하는 칼륨-40 때문에 천연 칼륨은 약한 방사성을 띤다.[343] 1925년에는 이러한 자연 방사성이 87번 원소(세슘 이후의 다음 알칼리 금속) 발견에 대한 잘못된 주장의 근거가 되기도 했다.[283][344] 천연 루비듐 역시 약한 방사성을 띠는데, 27.83%가 장수명 방사성 동위 원소인 루비듐-87이다.[261]
세슘-137은 30.17년의 반감기를 가지며, 스트론튬-90과 함께 사용 후 핵연료 방사능의 대부분을 차지하는 주요 중생 핵분열 생성물이다. 체르노빌 사고에서 남아있는 방사능의 대부분이 세슘-137이다. 세슘-137은 고에너지 베타 붕괴를 거쳐 안정적인 바륨-137이 되며, 감마선을 강하게 방출한다. 세슘-137은 중성자 포획률이 매우 낮다.[345] 세슘-137은 삼중수소와 유사하게 수문학 연구에서 추적자로 사용되기도 한다.[346] 핵실험과 원자력 사고로 인해 소량의 세슘-134와 세슘-137이 환경으로 방출되었으며, 2005년 현재 세슘-137은 체르노빌 원자력 발전소 주변 출입 금지 구역의 주요 방사선원이다.[347] 알칼리 금속 염의 높은 수용성 때문에, 세슘-137은 자연에서 쉽게 퍼져나가고 인체에 흡수될 수 있어 문제가 된다.[348]
| Z | 알칼리 금속 | 안정 | 붕괴 | 불안정: 기울임꼴 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 3 | 리튬 | 2 | — | colspan="3"| | ||
| 11 | 나트륨 | 1 | — | colspan="3"| | ||
| 19 | 칼륨 | 2 | 1 | '''' | ||
| 37 | 루비듐 | 1 | 1 | '''' | ||
| 55 | 세슘 | 1 | — | colspan="3"| | ||
| 87 | 프랑슘 | — | — | 원시 동위 원소 없음 (''은 붕괴로 만들어지는 핵종이다.) | ||
| 방사성: | ||||||
5. 주기성
알칼리 금속은 다른 족 원소들에 비해 서로 매우 비슷하다.[282] 이온 반지름이 비슷한 칼륨, 루비듐, 세슘은 분리하기 어려울 정도이며, 리튬과 나트륨은 상대적으로 차이가 더 크다.
주기율표 아래로 내려갈수록 알칼리 금속은 원자 반지름이 증가하고,[318] 전기 음성도는 감소하며,[318] 반응성은 증가한다.[282] 또한 녹는점과 끓는점은 낮아지고,[318] 융해열과 기화열도 감소한다.[261] 칼륨이 나트륨보다 밀도가 낮은 경우를 제외하면, 밀도는 아래로 갈수록 증가한다.[318]
첫 번째 이온화 에너지는 기체 상태의 원자나 분자 1몰에서 가장 느슨하게 결합된 전자 하나를 제거하여 기체 상태의 +1 전하를 띤 이온 1몰을 생성하는 데 필요한 에너지이다. 알칼리 금속의 최외각 전자는 항상 같은 유효 핵 전하(+1)를 느끼므로, 거리가 멀어질수록 첫 번째 이온화 에너지는 감소한다.[66] 프랑슘은 상대론적 양자 화학에 의한 7s 오비탈의 안정화 및 수축으로 인해 예외적으로 세슘보다 첫 번째 이온화 에너지가 약간 증가한다.[81]
알칼리 금속의 두 번째 이온화 에너지는 첫 번째 이온화 에너지보다 훨씬 높은데, 이는 두 번째로 느슨하게 결합된 전자가 완전히 채워진 전자껍질의 일부이기 때문이다.[6]
5. 1. 원자 및 이온 반지름
알칼리 금속의 원자 반지름은 주기율표 아래로 내려갈수록 증가한다.[318] 이는 전자 껍질 수가 증가하고, 내부 전자에 의한 차폐 효과가 커지기 때문이다.[349] 알칼리 금속에서 최외각 전자는 내부 전자에 의해 핵 전하가 일부 가려져 +1의 순 전하만 느끼게 된다. 따라서 알칼리 금속의 원자 반지름은 전자 껍질 수에 의해서만 영향을 받으며, 아래로 내려갈수록 전자 껍질 수가 증가하므로 원자 반지름도 증가한다.[318]
알칼리 금속의 이온 반지름은 원자 반지름보다 훨씬 작다.[282] 알칼리 금속은 최외각 전자를 잃으면 전자 껍질이 하나 줄어들고, 유효 핵전하가 증가하여 전자가 핵 쪽으로 더 강하게 끌어당겨져 이온 반지름이 감소한다.[282]
5. 2. 이온화 에너지
원소 또는 분자의 첫 번째 이온화 에너지는 기체 상태의 원소 또는 분자 1몰에서 가장 느슨하게 결합된 전자를 제거하여 +1 전하를 띤 기체 상태의 이온 1몰을 형성하는 데 필요한 에너지이다. 알칼리 금속의 최외각 전자는 항상 같은 유효 핵전하(+1)를 느끼기 때문에, 첫 번째 이온화 에너지에 영향을 미치는 유일한 요인은 최외각 전자와 핵 사이의 거리이다. 이 거리는 주기율표에서 아래로 내려갈수록 증가하므로, 최외각 전자는 핵으로부터 덜 강한 인력을 느끼게 되어 첫 번째 이온화 에너지는 감소한다.[318] 이러한 경향은 프랑슘에서 7s 궤도의 상대론적 안정화 및 수축으로 인해 깨지는데, 이로 인해 프랑슘의 원자가 전자가 비상대론적 계산에서 예상되는 것보다 원자핵에 더 가까이 위치하게 된다. 따라서 프랑슘의 최외각 전자는 원자핵으로부터 더 강한 인력을 느껴 세슘보다 첫 번째 이온화 에너지가 약간 증가한다.[334]알칼리 금속의 두 번째 이온화 에너지는 첫 번째 이온화 에너지보다 훨씬 높은데, 이는 두 번째로 느슨하게 결합된 전자가 완전히 채워진 전자껍질의 일부이기 때문에 제거하기 어렵기 때문이다.[282]
5. 3. 반응성
알칼리 금속의 반응성은 주기율표 아래로 내려갈수록 증가한다. 이는 알칼리 금속의 첫 번째 이온화 에너지와 원자화 엔탈피라는 두 요인이 복합적으로 작용한 결과이다.[350] 알칼리 금속의 첫 번째 이온화 에너지가 아래로 갈수록 줄기 때문에, 가장 바깥쪽 전자가 원자에서 제거되어 화학 반응에 참여하기 더 쉬워진다.[350] 원자화 엔탈피는 원소의 금속 결합의 강도를 측정하는데, 아래로 내려갈수록 원자 반지름이 증가하고, 따라서 금속 결합의 길이가 증가하게 되며, 비편재화 전자가 더 무거운 알칼리 금속 핵의 인력에서 더 멀리 벗어나게 된다.[350] 원자화 엔탈피와 첫 번째 이온화 에너지를 더한 값은 알칼리 금속과 다른 물질 사이 반응의 활성화 에너지와 밀접하게 관련된다.[350] 이 값은 아래로 갈수록 감소하고 활성화 에너지도 감소한다. 따라서 화학 반응이 더 빨리 일어날 수 있고, 반응성은 아래로 갈수록 증가한다.[350]5. 4. 전기 음성도
전기 음성도는 원자나 작용기가 전자를 자기 쪽으로 끌어당기는 정도를 나타내는 화학적 성질이다.[351] 알칼리 금속의 전기 음성도는 주기율표 아래로 내려갈수록 낮아지는데, 이는 더 큰 알칼리 금속 원자일수록 결합 전자쌍이 원자핵 쪽으로 덜 강하게 끌리기 때문이다.[318]
예를 들어, 염화 나트륨에서 나트륨과 염소가 공유 결합을 할 때, 염소의 유효 핵전하는 +7인 반면 나트륨은 +1이기 때문에 공유 전자쌍은 염소 쪽으로 끌린다. 이 전자쌍은 염소 원자에 매우 가까이 끌려 사실상 염소 원자로 이동한다(이온 결합). 그러나 나트륨 원자를 리튬 원자로 대체하면, 리튬 원자가 더 작기 때문에 전자쌍이 리튬의 유효 핵전하에 더 강하게 끌려 전자는 이전처럼 염소 원자에 가까이 끌리지 않는다.[98]
리튬은 높은 전기 음성도 때문에 일부 화합물에서 공유 결합 특성을 나타낸다. 예를 들어, 아이오딘화 리튬(LiI)은 유기 용매에 용해되며, 플루오린화 리튬(LiF)은 물에 녹지 않는 유일한 알칼리 할로겐화물이고, 수산화 리튬(LiOH)은 조해성이 없는 유일한 알칼리 금속 수산화물이다.[6]
다만, 프랑슘은 상대론적 효과로 인해 예외적으로 세슘보다 높은 전기 음성도를 가질 것으로 예측된다.[66]
5. 5. 녹는점과 끓는점
알칼리 금속의 녹는점은 고체에서 액체로 상이 바뀌는 온도이고, 끓는점은 액체의 증기압이 액체를 둘러싼 환경 압력과 같아져 모든 액체가 기체로 상이 바뀌는 온도이다.[352][353] 금속이 녹는점까지 가열되면 원자를 제자리에 유지하던 금속 결합이 약해져서 원자가 움직일 수 있게 되고, 끓는점에서 금속 결합은 완전히 끊어진다.[318][354] 따라서 알칼리 금속의 녹는점과 끓는점은 금속 결합의 강도가 아래로 갈수록 감소함을 나타낸다.[318] 이는 금속 원자가 양이온과 비편재화 전자 사이의 전자기적 인력에 의해 결합되기 때문이다.[318][354] 아래로 갈수록 원자 반지름이 증가하기 때문에, 이온 핵은 비편재화 전자에서 더 멀어져 금속 결합이 약해져 금속이 더 쉽게 녹고 끓을 수 있어 녹는점과 끓는점을 낮춘다.[318]알칼리 금속의 녹는점과 끓는점은 주기율표 아래로 내려갈수록 낮아지는 경향을 보인다.[66]
| 이름 | 리튬 | 나트륨 | 칼륨 | 루비듐 | 세슘 | 프랑슘 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 녹는점 (°C) | 180.54 | 97.72 | 63.38 | 39.31 | 28.44 | ? |
| 끓는점 (°C) | 1342 | 883 | 759 | 688 | 671 | ? |
5. 6. 밀도
알칼리 금속의 밀도는 대체로 주기율표 아래로 내려갈수록 증가하지만, 칼륨은 나트륨보다 밀도가 낮아 예외이다. 리튬, 나트륨, 칼륨은 물보다 밀도가 낮은 세 가지 금속에 속한다.[282] 리튬은 상온에서 가장 밀도가 낮은 고체 원소로 알려져 있다.[261]알칼리 금속은 모두 같은 결정 구조(체심 입방 구조)를 가지므로,[261] 밀도는 단위 부피당 질량으로 정의되기 때문에, 특정 부피에 들어갈 수 있는 원자의 수와 원자 하나의 질량만이 영향을 준다. 첫 번째 요인은 원자의 부피(원자 반지름)에 따라 달라지는데, 주기율표 아래로 갈수록 원자 반지름이 증가하여 알칼리 금속 원자의 부피도 증가한다. 알칼리 금속 원자의 질량 또한 주기율표 아래로 갈수록 증가한다. 따라서 알칼리 금속의 밀도 경향은 원자량과 원자 반지름에 따라 달라진다. 이 두 요소의 값을 알면 알칼리 금속 밀도의 비율을 계산할 수 있다. 그 결과 칼륨을 제외하고 알칼리 금속의 밀도는 아래로 갈수록 증가한다. 알칼리 금속은 같은 주기의 다른 원소들보다 원자량이 가장 작고 원자 반지름이 가장 크기 때문에, 주기율표에서 가장 밀도가 낮은 금속이다.[318]
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