12年生

アルカリ金属・アルカリ土類金属・アルミニウム

イオン化学、電気化学、結合の観点から、アルカリ金属・アルカリ土類金属の傾向、炎色、硬水処理、アルミニウム製錬を理解します。

直観電子を放出しやすい金属

アルカリ金属は最外殻の s 電子を1個、アルカリ土類金属は2個もちます。どちらも主にイオン化合物をつくりますが、物性と反応は電荷・大きさ・酸化物化学に応じて変化します。アルミニウムは安定な酸化皮膜により、反応性金属でありながら耐久性を示します。

学校アルカリ金属とその化合物

アルカリ金属は柔らかく密度が小さく、融点が比較的低く、常温で bcc 構造をとります。水との反応性は Li から Cs へ増し、水素と水酸化物を生じて発熱します。反応性試料は水や着火源から隔離し、適切な油中に保管します。

リチウムは主に Li₂O を生じ、ナトリウムは酸素中で Na₂O₂ を、カリウムは酸素に富む適切な条件で KO₂ を生じます。食塩水のクロルアルカリ電解は塩素・水素・水酸化ナトリウムを製造します。ソルベー法は炭酸ナトリウムを製造し、炭酸水素ナトリウムは有用な中間体・膨張剤です。

学校アルカリ土類金属

2族金属は M²⁺ イオンをつくります。マグネシウムはまばゆい白色光で燃え、カルシウムはより重いアルカリ土類金属よりゆっくり冷水と反応します。石灰石・生石灰・消石灰は有用な循環をつくります。炭酸水素塩による一時硬度は煮沸で低減でき、炭酸塩沈殿は Ca²⁺/Mg²⁺ を除去します。

炎色反応の色は定性的な手がかりです。Li は赤、Na は黄、K は淡紫、Sr は赤、Ba は緑です。元素固有の電子遷移による発光で、混合物や汚染が色を隠すことがあります。

学校アルミニウム：不動態化と電解

薄く密着した Al₂O₃ 膜が空気中でアルミニウムを不動態化します。水酸化アルミニウムは両性で、酸および過剰の強塩基に溶けます。ホール・エルー法は溶融氷晶石（Na₃AlF₆）に溶かしたアルミナを約 950 °C で電解し、酸素を含む生成物の形成に伴って炭素陽極が消耗します。テルミット反応では酸化鉄(III)をアルミニウムで還元し、強く発熱します。

大学族を下ると性質が変わる理由

族を下ると、価電子は核から遠い殻に入り遮蔽も強くなるため、核電荷の増加を上回り第一イオン化エネルギーは一般に低下します。Li と Mg は対角関係にあり、イオンサイズ・電荷密度の類似から窒化物や難溶性炭酸塩など一部の化学が似ますが、同一ではありません。Be と Al も共有結合性・両性の傾向を共有します。

2族炭酸塩の熱安定性は族を下るほど増します。大きな M²⁺ イオンは電荷密度が低く CO₃²⁻ を分極しにくいため、分解が起こりにくくなります。溶解度は格子エネルギーだけでは決まらず、格子分離と水和の釣り合いで決まります。2族を下ると水酸化物の溶解度は一般に増し、硫酸塩は水和が格子安定化に対して不利になるため一般に低下します。