アルカリ金属元素の化学的性質

基本情報

アルカリ金属とは

周期表の1族元素(水素を除く)で、Li, Na, K, Rb, Cs, Fr の6元素。

• リチウム(Li): 原子番号3
• ナトリウム(Na): 原子番号11
• カリウム(K): 原子番号19
• ルビジウム(Rb): 原子番号37
• セシウム(Cs): 原子番号55
• フランシウム(Fr): 原子番号87(放射性、極めて稀)

電子配置の特徴

• 最外殻に電子1個(ns¹)
• Li: [He]2s¹
• Na: [Ne]3s¹
• K: [Ar]4s¹
• Rb: [Kr]5s¹
• Cs: [Xe]6s¹
• Fr: [Rn]7s¹

主な特徴

• 酸化数: +1のみ
• イオン化傾向: 非常に大きい(最大級)
• 反応性: 極めて高い
• 単体の色: 銀白色(金属光沢)
• 硬さ: 柔らかい(ナイフで切れる)
• 密度: 小さい(Li, Na, Kは水より軽い)

アルカリ金属の共通性質

物理的性質の周期性

周期性のまとめ

原子番号が大きくなると...

• 融点・沸点: 低くなる(金属結合が弱くなる)
• 密度: 大きくなる(Kを除く)
• 反応性: 高くなる(イオン化エネルギーが小さくなる)
• イオン半径: 大きくなる
• 還元性: 強くなる

イオン化傾向

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Cr > Fe > Ni > Sn > Pb > (H₂) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

• アルカリ金属は最もイオン化傾向が大きい
• K > Na の順(実際にはRb, Csはさらに大きい)

アルカリ金属の化学反応

1. 水との反応(最重要)

アルカリ金属は水と激しく反応して水素を発生し、強塩基(水酸化物)を生成する。

一般式

• (1) 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑
• (M = Li, Na, K など)

各元素の反応

• リチウム: (2) 2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂↑
• 　　　　　穏やかに反応、水面を浮遊
• ナトリウム: (3) 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑
• 　　　　　激しく反応、発熱で溶融、水面を動き回る、発火することも
• カリウム: (4) 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑
• 　　　　　非常に激しく反応、紫色の炎を出して燃焼

反応性の順序: Li < Na < K < Rb < Cs(下に行くほど激しい)

2. 酸素との反応

空気中で容易に酸化されるため、石油中に保存する。

リチウムの反応

• 通常の酸化: (5) 4Li + O₂ → 2Li₂O (酸化リチウム、白色)

ナトリウムの反応

• 少量の酸素: (6) 4Na + O₂ → 2Na₂O (酸化ナトリウム、白色)
• 過剰の酸素: (7) 2Na + O₂ → Na₂O₂ (過酸化ナトリウム、淡黄色)

カリウムの反応

• 酸素中: (8) K + O₂ → KO₂ (超酸化カリウム、橙黄色)

3. ハロゲンとの反応

ハロゲンと激しく反応してハロゲン化物を生成。

• 塩素との反応: (9) 2M + Cl₂ → 2MCl
• 例(ナトリウム): (10) 2Na + Cl₂ → 2NaCl (塩化ナトリウム)

4. 水素との反応

• 高温: (11) 2M + H₂ → 2MH (水素化物)
• 例: (12) 2Na + H₂ → 2NaH (水素化ナトリウム)

5. 窒素との反応

• リチウムのみ反応: (13) 6Li + N₂ → 2Li₃N (窒化リチウム)

6. 炎色反応(検出)

アルカリ金属イオンの検出に利用される重要な反応。

• Li⁺: 赤(深紅色)
• Na⁺: 黄色(最も顕著)
• K⁺: 紫色
• Rb⁺: 赤紫色
• Cs⁺: 青色

各アルカリ金属元素

リチウム(Li)

特徴

• 最も軽い金属(密度0.53 g/cm³)
• 融点が比較的高い(181℃)
• 窒素と反応する唯一のアルカリ金属
• イオン半径が小さい

製法

• 融解塩電解: (14) LiCl → Li + 1/2Cl₂

用途

• リチウムイオン電池(最重要)
• 合金の添加剤
• 医薬品(双極性障害治療)
• 乾燥剤(塩化リチウム)

ナトリウム(Na)

特徴

• 地殻に豊富に存在(6番目)
• 海水中に多量に含まれる(Na⁺として)
• 工業的に最も重要なアルカリ金属

製法

• ダウンズ法(融解塩電解):
• 陰極: (15) Na⁺ + e⁻ → Na
• 陽極: (16) 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
• 全体: (17) 2NaCl → 2Na + Cl₂
• ※ CaCl₂を加えて融点を下げる(約600℃)

用途

• 還元剤(金属の製造)
• ナトリウムランプ(黄色光)
• 冷却剤(原子炉)
• 有機合成の試薬

カリウム(K)

特徴

• 水より軽い(密度0.86 g/cm³)
• 融点が低い(64℃)
• ナトリウムより反応性が高い

製法

• 融解塩電解または: (18) KCl + Na → NaCl + K

用途

• カリウム化合物の原料
• 超酸化カリウムの製造(呼吸装置の酸素源)

ルビジウム(Rb)・セシウム(Cs)

特徴

• 希少元素
• 反応性が非常に高い
• Csは融点28℃(手で溶ける)

用途

• 光電管
• 原子時計(Cs)
• 研究用途

アルカリ金属の化合物

1. 水酸化物 MOH

強塩基として働く。

水酸化ナトリウム NaOH(苛性ソーダ)

• 製法: 陽イオン交換膜法(食塩水の電気分解)

• 陰極: (19) 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
• 陽極: (20) 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

• 性質: 白色固体、潮解性、水に溶けて強い発熱
• 用途: 化学工業の基礎原料、石鹸、紙パルプ

水酸化カリウム KOH

• 水酸化ナトリウムより潮解性が強い
• 用途: アルカリ電池の電解液

2. 塩化物 MCl

塩化ナトリウム NaCl(食塩)

• 天然: 岩塩、海水
• 用途: 調味料、Na・NaOH・Cl₂の原料

塩化カリウム KCl

• 肥料として重要

3. 炭酸塩 M₂CO₃

炭酸ナトリウム Na₂CO₃(ソーダ灰)

• 製法(ソルベー法・アンモニアソーダ法):
• ① (21) NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O → NaHCO₃↓ + NH₄Cl
• ② (22) 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

• 水和物: Na₂CO₃·10H₂O(結晶、風解性)
• 用途: ガラス、洗剤、化学工業

炭酸カリウム K₂CO₃

• 潮解性あり
• ガラス原料

4. 炭酸水素塩 MHCO₃

炭酸水素ナトリウム NaHCO₃(重曹)

• 加熱分解: (23) 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑
• 酸との反応: (24) NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂↑

• 用途: ベーキングパウダー、胃薬、消火剤

5. 硝酸塩 MNO₃

硝酸ナトリウム NaNO₃(チリ硝石)

• 天然に産出
• 肥料

硝酸カリウム KNO₃(硝石)

• 肥料、酸化剤
• 黒色火薬の原料

6. 過酸化物と超酸化物

過酸化ナトリウム Na₂O₂

• 水との反応: (25) 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑
• 二酸化炭素との反応: (26) 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂

• 用途: 酸素発生剤、漂白剤

超酸化カリウム KO₂

• 二酸化炭素との反応: (27) 4KO₂ + 2CO₂ → 2K₂CO₃ + 3O₂

• 用途: 呼吸装置の酸素源(潜水艦、宇宙船)

7. その他の重要化合物

• 水素化ナトリウム NaH: 強塩基、還元剤
• アミド化ナトリウム NaNH₂: 強塩基
• 硫酸ナトリウム Na₂SO₄: 芒硝(Na₂SO₄·10H₂O)
• チオ硫酸ナトリウム Na₂S₂O₃: ハイポ(写真の定着液)

その他の重要事項

アルカリ金属の保存

• 空気中で酸化されやすい
• 水と激しく反応する
• 保存法: 石油中に保存(空気・水分との接触を防ぐ)

イオンの性質

• 色: すべて無色
• 1価陽イオン: M⁺
• 水和: 水中で水和イオンを形成
• 溶解性: ほとんどの塩が水に可溶

生体内での役割

• Na⁺: 細胞外液の主要陽イオン、神経伝達
• K⁺: 細胞内液の主要陽イオン、筋肉収縮
• ナトリウムポンプ: Na⁺とK⁺の濃度勾配を維持

工業的重要性

• ナトリウム化合物: 化学工業の基礎(NaOH, Na₂CO₃, NaCl)
• カリウム化合物: 肥料として重要
• リチウム: 電池産業で急成長

環境と資源

• 海水: Na⁺とK⁺が豊富
• 岩塩: NaClの主要資源
• カリ鉱石: KClの資源
• リチウム: 塩湖、鉱石(リチア輝石など)

注意すべき性質

• 取り扱い: 単体は非常に危険(水と激しく反応)
• 酸化数: +1のみ(最外殻電子1個)
• 反応性: Li < Na < K < Rb < Cs(下に行くほど増大)
• 炎色反応: イオンの検出に利用
• 塩の溶解性: ほぼすべて水に可溶(例外は少ない)

アルカリ金属の特異性

• リチウムの特異性: イオン半径が小さい、窒素と反応、炭酸塩が熱分解
• 対角線関係: LiとMgは性質が似る
• ナトリウムの重要性: 工業的に最も重要

アルカリ金属化合物の溶解性

ほとんどすべての塩が水に易溶だが、以下は例外:

• Li₂CO₃: 水に難溶(熱分解しやすい)
• その他: ほぼすべて水に可溶

リチウムの特異性の詳細

• 炭酸リチウムの熱分解: (28) Li₂CO₃ → Li₂O + CO₂
• ※ 他のアルカリ金属の炭酸塩は熱分解しない
• 窒素との反応: (29) 6Li + N₂ → 2Li₃N
• ※ 他のアルカリ金属は窒素と反応しない

ソルベー法(アンモニアソーダ法)の詳細

炭酸ナトリウムの工業的製法

• 全体反応: (30) 2NaCl + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaCl₂

工程:

• ① 炭酸水素ナトリウムの沈殿
• ② 加熱分解で炭酸ナトリウムを得る
• ③ 塩化アンモニウムを石灰と反応させてアンモニアを回収
• 　(31) 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → 2NH₃ + CaCl₂ + 2H₂O

電気陰性度

• アルカリ金属は電気陰性度が最も小さい
• Li: 1.0、Na: 0.9、K: 0.8
• イオン結合を作りやすい