I metalli alcalini sono litio (Li), sodio (Na), potassio (K), rubidio (Rb), cesio (Cs) e francio (Fr). Questi elementi chimici costituiscono il gruppo 1 del blocco s della tavola periodica. Nella nomenclatura precedente questo gruppo era denominato IA. Formano un gruppo omogeneo di metalli molto reattivi, che perdono facilmente l'elettrone del livello elettronico più esterno, formando cationi M+. Nei loro composti assumono invariabilmente numero di ossidazione +1, e mostrano una chimica essenzialmente ionica.
Composti di sodio e potassio sono noti dai tempi antichi, e sono tuttora fra i composti chimici di maggior importanza economica. Gli ioni Na+ e K+ sono essenziali per gli organismi animali. Composti di litio hanno iniziato ad essere utilizzati solo nel 1940. Rubidio e cesio sono elementi di interesse accademico. Il francio è ben poco noto..
L'aggettivo alcalino viene dall'arabo al-qali; con questo termine ci si riferiva alla potassa, ottenuta come sottoprodotto della combustione del legno (il verbo qalaa in arabo significa arrostire). Poiché la potassa ha caratteristiche basiche, si diffuse la convenzione di chiamare alcali tutte quelle sostanze che, come la potassa, sono in grado di neutralizzare gli acidi. Quindi ancora oggi con alcalino si può intendere o un metallo del primo gruppo della tavola periodica o un composto basico.
Fonti Tutti questi elementi si trovano in natura solo nei loro sali, dato che la forma metallica è molto reattiva. Il litio è il trentunesimo elemento per abbondanza sulla crosta terrestre, dove è presente in vari minerali; il più importante è lo spodumene (LiAlSi2O6). Il litio si ricava da giacimenti di spodumene o da salamoie di origine naturale. I prodotti principali dell'industria estrattiva del litio sono Li2CO3, LiOH e LiCl.. Il litio come metallo è poco usato; se ne producono circa tonnellate all'anno. Sodio e potassio sono molto comuni sulla crosta terrestre, essendo rispettivamente il sesto e l'ottavo elemento per abbondanza.
Il sodio è diffuso in molti minerali silicati, ma per la maggior parte viene estratto come cloruro di sodio e carbonato di sodio da depositi di salgemma (NaCl) e trona (Na2CO3·NaHCO3·2H2O); in questo modo si producono annualmente circa 250 milioni di tonnellate di sali di sodio. A confronto, la produzione ottenuta nelle saline è minoritaria. La produzione di sodio metallico è di circa tonnellate all'anno, ottenute per elettrolisi da NaCl fuso. Il potassio è presente in molti minerali silicati come feldspati e argille, ma viene ricavato come cloruro di potassio principalmente da silvite (KCl), carnallite (KMgCl3·6(H2O)) e alunite (KAl3(SO4)2(OH)6), minerali che vengono processati al ritmo di circa 35 milioni di tonnellate all'anno.
La produzione annuale di potassio metallico è dell'ordine di solo 200 tonnellate. Il rubidio è il sedicesimo elemento per abbondanza sulla crosta terrestre. Questo elemento non ha minerali specifici, ma è presente in tracce in minerali come lepidolite, carnallite e pollucite. Il poco rubidio utilizzato si ottiene come sottoprodotto dell'estrazione del litio dalla lepidolite. Il cesio risulta il quarantaseiesimo elemento per abbondanza sulla crosta terrestre. Dei pochi minerali di cesio il più importante è la pollucite, (Cs,Na)2Al2Si4O12·H2O, un minerale raro che costituisce la principale fonte di estrazione del cesio. La produzione è limitata a circa 20 tonnellate all'anno. Il francio in natura si forma continuamente in tracce minime come prodotto di decadimento dei minerali di uranio. A loro volta questi atomi di francio decadono con tempi di dimezzamento di circa 20 minuti; si stima che sulla Terra in un dato istante esistano meno di 30 g di francio..
Tossicità e ruolo biologico Il litio è presente in piccola quantità in piante e animali, ma non sembra essenziale, e non sembra coinvolto in nessuna funzione biologica; in quantità elevata diventa invece tossico. Entra inevitabilmente nella nostra dieta e la maggior parte viene escreta; un corpo umano ne contiene circa . Il sodio è essenziale per gli animali, e meno per le piante. Un corpo umano ne contiene circa contenuto come Na+ principalmente nel plasma sanguigno dove serve a regolare la pressione osmotica e la pressione del sangue. La quantità di sodio necessario all'organismo viene assunta con una dieta normale. I composti di sodio non sono pericolosi, ma una dieta troppo ricca di sodio può provocare un aumento della pressione sanguigna. Quantità eccessive di sodio hanno effetti emetici.
Il potassio è essenziale per quasi tutti gli esseri viventi. Un corpo umano contiene circa di potassio sotto forma K+, contenuto principalmente all'interno delle cellule. Nell'organismo il potassio è coinvolto in varie funzioni, tra le quali la solubilizzazione delle proteine, la trasmissione degli impulsi nervosi e la contrazione muscolare. I cibi di origine vegetale sono particolarmente ricchi di potassio, che va assunto regolarmente dato che il nostro organismo non ha modo di accumularlo e lo elimina continuamente nell'urina. Una forte carenza di potassio provoca debolezza muscolare, depressione e confusione, mentre all'opposto un'eccessiva assunzione di potassio deprime il sistema nervoso centrale e può provocare anche malfunzionamento dei reni e attacchi cardiaci; tutti questi problemi sono rari con una dieta normale.
Il rubidio non ha ruoli biologici, ma ha un effetto stimolante sul metabolismo, probabilmente per la sua somiglianza con il potassio. Un corpo umano contiene circa di rubidio, assunto nella nostra dieta al ritmo di circa al giorno. I sali di rubidio non sono considerati tossici. Neanche il cesio ha ruoli biologici. Un corpo umano contiene circa di cesio, assunti dal cibo. Eccessi di cesio hanno effetti tossici; più pericoloso è l'isotopo radioattivo cesio-137, prodotto negli esperimenti nucleari condotti in atmosfera nel secolo scorso e rilasciato nel caso di incidenti nucleari. Il francio sarebbe pericoloso per la sua radioattività, ma in pratica è troppo raro per interagire con qualsiasi specie vivente.
Applicazioni Il litio ha numerose applicazioni: l'ossido di litio è usato come additivo in vetri e ceramiche, lo stearato di litio in grassi lubrificanti, il litio metallico in leghe leggere con alluminio e magnesio. Altri composti tra i quali il carbonato di litio vengono impiegati in prodotti chimici e farmaceutici e in batterie ricaricabili. L'isotopo litio-6 è usato nelle bombe all'idrogeno. Il composto più utilizzato del sodio è il cloruro (NaCl), usato dall'industria chimica per ottenere altri composti di base come NaOH, Na2CO3 e cloro, nonché dall'industria alimentare come additivo. La soda caustica (NaOH) è il più importante composto basico industriale, mentre la soda Solvay (Na2CO3) è usata nella fabbricazione del vetro e nel trattamento delle acque.
Il sodio metallico viene usato nei processi di estrazione di metalli come berillio, titanio e zirconio, nonché per produrre svariati altri composti chimici. Circa il 95% del potassio è utilizzato in fertilizzanti. Importanti sono anche l'idrossido di potassio (KOH) usato per saponi e detergenti, e il carbonato di potassio (K2CO3) per la fabbricazione del vetro. Tra le molte altre applicazioni, i sali di potassio sono usati per prodotti farmaceutici e da forno, per la concia delle pelli, per il sale iodato, per fuochi d'artificio e polvere da sparo. Il rubidio è molto costoso e viene usato solo in ambito di ricerca. La maggior parte del cesio è usata per fluidi di perforazione nel settore petrolifero, come lubrificante a basso impatto ambientale. Il cesio ha inoltre vari utilizzi tecnologici tra i quali vetri e fibre ottiche, scintillatori, orologi atomici. Tutti gli isotopi del francio sono radioattivi e hanno tempo di dimezzamento troppo brevi per qualsiasi applicazione pratica. I pochi atomi di francio usati nella ricerca sono prodotti artificialmente con reazioni nucleari.
Proprietà degli elementi
I metalli alcalini costituiscono un gruppo molto omogeneo, adatto ad illustrare efficacemente l'influenza delle dimensioni atomiche e ioniche sulle proprietà chimiche e fisiche, che variano in modo molto regolare lungo il gruppo. Hanno tutti un tipico aspetto metallico lucente, e sono teneri e duttili perché hanno un solo elettrone nel livello più esterno da utilizzare nel legame metallico. Di conseguenza, sono anche poco densi, e hanno punti di fusione e di ebollizione con valori bassi, che calano scendendo lungo il gruppo all'aumentare delle dimensioni atomiche. Anche l'energia di ionizzazione è bassa in questo gruppo, perché il singolo elettrone esterno viene perso molto facilmente dato che lo ione M+ formato ha una configurazione elettronica particolarmente stabile, isoelettronica con quella del gas nobile precedente nella tavola periodica.
L'energia di seconda ionizzazione è invece così elevata che ioni M2+ non si osservano in nessun composto. La facilità con cui perdono l’elettrone esterno fa inoltre sì che abbiano bassi valori di elettronegatività e che il loro potenziali di riduzione sia molto negativo; in altre parole sono metalli molto elettropositivi (si ossidano facilmente). Raggio ionico e raggio metallico sono invece caratterizzati da valori elevati, che crescono scendendo lungo il gruppo. Come metalli hanno inoltre un'elevata conducibilità termica ed elettrica. Tutti i metalli alcalini danno caratteristiche colorazioni nel saggio alla fiamma, dovute alla facilità di rimozione dell'unico elettrone esterno.
+ Alcune proprietà dei metalli alcalini Nome Litio Sodio Potassio Rubidio Cesio FrancioNumero atomico 3 11 19 37 55 87Peso atomico. 6,94(1) 22,98976928(2) 39,0983(1) 85,4678(3) 132,9054519(2) Configurazione elettronica [He] 2s1 [Ne] 3s1 [Ar] 4s1 [Kr] 5s1 [Xe] 6s1 [Rn] 7s1Punto di fusione 453,69 K180,54 °C356,97 °F 370.87 K97,72 °C207,9 °F 336,53 K,63,38 °C,146,08 °F 312,467 K,39,31 °C,102,76 °F 301,59 K,28,44 °C,83,19 °F ? 300 K,? 27 °C,? 80 °FPunto di ebollizione 1615 K,1342 °C,2448 °F 1156 K,883 °C,1621 °F 1032 K,759 °C,1398 °F 961 K,688 °C,1270 °F 944 K,671 °C,1240 °F ? 950 K,? 677 °C,? 1250 °F.Densità (g·cm−3) 0,534 0,968 0,89 1,532 1,93 ? 1,87Entalpia di fusione (kJ·mol−1) 3,00 2,60 2,321 2,19 2,09 ? ≈2Entalpia di vaporizzazione (kJ·mol−1) 136 97,42 79,1 69 66,1 ? ≈65Entalpia di formazione (kJ·mol−1) 162 108 89,6 82,0 78,2 ?Resistività elettrica at 298 K (nΩ·cm) 94,7 48,8 73,9 131 208 ?Raggio atomico (pm) 152 186 227 248 265 ?Raggio ionico di ioni M+ (pm) 76 102 138 152 167 ? 180Energia di prima ionizzazione (kJ·mol−1) 520,2 495,8 418,8 403,0 375,7 392,8Affinità elettronica (kJ·mol−1) 59,62 52,87 48,38 46,89 45,51 ? 44,0Entalpia di dissociazione di M2 (kJ·mol−1) 106,5 73,6 57,3 45,6 44,77 ?Elettronegatività 0,98 0,93 0,82 0,82 0,79 ? 0,7Potenziale standard di riduzione (E°(M+→M0); V) −3,0401 −2,71 −2,931 −2,98 −3,026 −2,9Colore del saggio alla fiamma Cremisi Giallo Violetto Rosso-violetto Blu ?
Reattività chimica e andamenti nel gruppo...
Gli elementi del gruppo 1 rappresentano un gruppo molto omogeneo, anche se il litio, l'elemento più leggero, mostra un comportamento un po' diverso da quello dei congeneri più pesanti. Queste differenze sono comunque minori di quelle che si osservano negli altri gruppi della tavola periodica tra il primo elemento e i suoi congeneri superiori.
Nei metalli alcalini l'elettrone esterno ns1 può essere perso facilmente, mentre l'energia di seconda ionizzazione è molto elevata perché si dovrebbe intaccare il guscio del gas nobile precedente; di conseguenza sono i metalli che reagiscono più violentemente, formando composti solo nello stato di ossidazione +1, essenzialmente ionici e incolori. La loro reattività cresce scendendo lungo il gruppo.
All'aria la superficie metallica lucente di questi elementi si ossida rapidamente, formando miscele di ossidi differenti. I prodotti principali variano sistematicamente lungo il gruppo: 4Li(s) + O2(g) → 2Li2O(s) contiene lo ione ossido O2–