알칼리 금속 document_id A220623190052

알칼리 금속(alkali metal, -金屬)은 화학 원소 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr)으로 구성된 화학 계열이다. 수소와 함께 주기율표의 s-구역에 있는 1족 원소를 구성한다.group="주" 모든 알칼리 금속은 최외각 전자를 s 오비탈에 가지고 있다. 이 공유 전자 구성은 알칼리 금속들이 매우 유사한 성질을 갖도록 한다.group="주" 대표 원소의 이름을 따서 리튬족이라고도 한다. 알칼리 금속은 표준 온도 압력에서 광택이 있고 무르고 반응성이 높은 금속이며, 최외각 전자 껍질의 전자 하나를 쉽게 잃어 +1 전하를 가진 양이온을 이룬다. 무른 금속이므로 칼로 쉽게 자를 수 있으며, 잘린 반짝이는 표면은 공기 중의 수분과 산소와 결합하여 산화하여 빠르게 변색된다. 리튬의 경우엔 공기 중의 질소와도 반응한다. 반응성이 높기 때문에 공기와의 반응을 방지하기 위해 기름 속에 저장해야 하며, 자연적으로는 염의 형태로만 발견되며, 자유 원자로는 발견되지 않는다. 다섯 번째 알칼리 금속인 세슘은 모든 금속 중에서 가장 반응성이 높다. 모든 알칼리 금속은 물과 반응하며, 무거운 알칼리 금속은 가벼운 금속보다 더 격렬하게 반응한다. 발견된 모든 알칼리 금속은 자연에서 화합물 형태로만 발견된다. 나트륨이 가장 풍부하며, 그다음으로 칼륨, 리튬, 루비듐, 세슘 순이며, 높은 방서성을 띤 프랑슘은 매우 드물게 발견된다. 프랑슘은 붕괴 계열의 중간 산물 형태인 미량 동위원소로만 발견된다. 알칼리 금속의 다음 원소 후보인 우누넨늄(Uue)을 합성하기 위한 실험이 진행되었으나 성공을 거두지는 못했다. 우누넨늄은 초중량 원소의 화학적 성질에 큰 영향을 미치는 상대론적 효과의 예측에 의하면 알칼리 금속이 아닐 수 있으며, 알칼리 금속에 속하더라도 다른 알칼리 금속과는 물리적, 화학적 성질에 어느 정도 차이가 있을 것으로 예측된다. 대부분의 알칼리 금속은 많은 응용 분야에서 쓰이고 있다. 순수한 원소의 가장 잘 알려진 응용은 원자 시계에 루비듐과 세슘을 사용하는 것이며, 그중 세슘 원자 시계는 1초를 정의하는 기준이 된다. 나트륨은 효율적인 조명 기구인 나트륨등에 사용된다. 먹는 소금은 염화 나트륨이 주성분으로, 고대부터 사용되어 왔다. 리튬은 정신의학 약과 리튬 전지의 산화극 소재로 사용된다. 나트륨과 칼륨은 필수 무기질로, 전해질로 주요한 생물학적 역할을 하고 있으며, 다른 알칼리 금속은 필수는 아니지만, 신체에 유익하고 해로운 다양한 영향을 미친다. 역사 나트륨 화합물인 소금(염화 나트륨)은 고대부터 인간 활동에 있어 중요한 상품으로, 급여를 뜻하는 영어 단어 "salary"도 로마 병사에게 소금 구입을 위해 지급된 돈을 가리키는 단어 살라리움(''salarium'')에서 유래되었다. 고대부터 칼리가 사용되었으나, 나트륨 화합물인 소금과는 근본적으로 다른 물질이라는 것은 알 수 없었다. 1702년에 게오르크 에른스트 슈탈은 나트륨염과 칼륨염의 근본적인 차이를 제시하는 실험적 증거를 얻었고, 1736년 앙리 루이 뒤하멜 뒤 몽소는 이 차이를 증명할 수 있었다. 당시 칼륨과 나트륨 화합물의 정확한 화학적 구성과, 칼륨과 나트륨의 화학 원소로서의 지위는 그 당시 알려져 있지 않았기 때문에 앙투안 라부아지에는 1789년 그의 화학 원소 목록에 어떤 알칼리 원소도 포함시키지 않았다. 순수한 칼륨은 1807년 영국의 험프리 데이비에 의해 처음으로 분리되었다. 데이비는 새롭게 발명된 볼타 전지를 이용하여 가성 칼리(KOH, 수산화 칼륨)의 용융된 소금을 전기 분해하여 추출했다. 이전의 칼리 수용액을 이용한 전기 분해 시도는 칼륨의 높은 반응성으로 인해 성공하지 못했다.68 칼륨은 전기 분해를 통해 분리된 최초의 금속이다. 같은 해 말, 데이비는 유사한 물질인 가성 소다(NaOH, 수산화 나트륨)로부터 비슷한 방법을 통해 나트륨을 추출한 것을 보고했고, 두 원소가 다르다는 것을 증명했다. 페탈라이트(LiAlSi4O10)는 1800년 브라질의 화학자 조제 보니파시우 지 안드라다가 스웨덴 우퇴섬의 광산에서 발견했다. 하지만 1817년이 되어서야 화학자 옌스 야코브 베르셀리우스의 실험실에서 일하던 요한 아우구스트 아르프베손이 페탈라이트 광석을 분석하여 새로운 원소의 존재를 감지했다. 이 새로운 원소는 나트륨과 칼륨과 유사한 화합물을 형성하지만, 탄산염과 수산화물은 다른 알칼리 금속보다 물에 덜 녹고 알칼리성은 더 강한 점에 주목했다. 베르셀리우스는 식물의 재에서 발견된 칼륨, 동물의 피에 풍부한 나트륨과 달리 단단한 광물에서 발견된 것을 반영하여, 이 미지의 물질의 이름을 "돌"을 뜻하는 그리스어 λιθoς(lithos)에서 유래한 "리(lithion)/리티나(lithina)"라 지었다. 이 물질 안에 있는 금속의 이름을 리튬(lithium)이라고 지었다. 루비듐과 세슘은 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프가 1859년 발명한 분광기를 이용해 발견한 최초의 원소이다. 다음 해, 분젠과 키르히호프는 독일 바트뒤르카임의 광천수에서 세슘을 발견했다. 루비듐의 발견은 이듬해 독일 하이델베르크에서 레피돌라이트 광물에서 발견했다. 루비듐과 세슘의 이름은 방출 스펙트럼에서 가장 두드러진 선으로, 왔으며, 루비듐은 밝은 빨간 선(짙은 빨간색, 또는 밝은 빨간색을 뜻하는 라틴어 루비두스rubidus)), 세슘은 하늘색 선(하늘색을 뜻하는 라틴어 카이시우스(caesius))에서 왔다. 1865년경 존 뉴랜즈는 일련의 논문을 발표했는데, 원자량이 증가하는 순으로 원소를 나열했을 때, 유사한 물리적 화학적 성질을 가진 원소가 8개 간격으로 되풀이됨을 보였다. 그는 이런 주기성을 음악의 옥타브에 비유하여, 한 옥타브 떨어진 음표가 비슷한 음악적 기능을 가지는 것과 비교하였다. 뉴랜즈는 논문에서 당시 알려진 모든 알칼리 금속(리튬에서 세슘까지)을 알칼리 금속처럼 +1 산화 상태 특성을 가진 구리, 은, 탈륨과 한 족으로 묶었다. 뉴랜즈는 할로젠과 수소를 표의 같은 자리에 배치했다. 2년 후 멘델레예프는 자신의 주기율표를 수정하여 수소를 리튬이 속한 I족 위에 배치하고, 탈륨도 붕소족으로 이동시켰다. 이 1871년판에서는 구리, 은, 금을 두 번 배치하였는데, 한 번은 IB족의 일부로, 한 번은 오늘날의 8족에서 11족 원소를 아우르는 'VIII족'의 일부로 배치하였다. 18열 주기율표 도입 후 IB족 원소는 d-구역의 현재 위치로 이동했고, IA족에는 알칼리 금속이 남았다. 이후 1988년 IA족 이름이 1족으로 바뀌었다. 프랑스 파리 퀴리 연구소의 마르게리트 페레가 1939년 220 keV의 붕괴 에너지가를 가진 것으로 보고된 악티늄-227 샘플을 정제하여 프랑슘을 발견하기까지 적어도 네 번의 오류와 불완전한 발견이 있었다. 그러나 페레는 에너지 준위가 80 keV 미만인 붕괴 입자를 발견했다. 페레는 이 붕괴 활동이 이전에 확인되지 않았던 붕괴 생성물에 의해 일어났을 수도 있다고 생각했는데, 이 물질은 정제 과정에서 분리되었으나, 순수한 악티늄-227에서 다시 나타났다. 다양한 실험을 통해 이 미지의 원소가 토륨, 라듐, 납, 비스무트, 탈륨일 가능성을 제거했다. 이번 새로운 생성물은 (세슘 염과 공침하는 등의) 알칼리 금속의 화학적 특성을 보여, 페레는 악티늄-227의 알파 붕괴로 생겨난 87번 원소라고 믿게 되었다. 페레는 그 후 악티늄-227에서 베타 붕괴와 알파 붕괴의 비율을 결정하려고 시도했다. 그의 첫 번째 실험에서 알파 붕괴 비율이 0.6%로 나왔고, 이 수치는 후에 1%로 수정되었다. 주기율표에서 프랑슘 아래의 다음 원소(에카프랑슘)는 119번 원소인 우누넨늄(Uue)이 될 것이다. 우누넨늄의 합성은 1985년 캘리포니아주 버클리의 슈퍼HILAC 가속기에서 칼슘-48으로 아인슈타이늄-254의 표적을 폭격하여 처음 시도되었다. 원자가 확인되지 않아 300 nb의 한계 수율로 이어졌다. 존재 >> 태양계 내부 오도-하킨스 규칙은 수소를 제외하고 원자 번호가 짝수인 원소가 홀수인 원소보다 더 흔하다는 내용이다. 이 규칙은 홀수 원자 번호를 가진 원소는 짝없는 양성자 하나를 가지고 있으며, 다른 양성자를 포획할 가능성이 더 높기 때문에, 원자 번호가 증가한다고 주장한다. 짝수 원자 번호를 가진 원소는 양성자가 짝을 가지며, 짝진 양성자 간에 서로의 스핀을 상쇄하여 안정성을 높인다. 모든 알칼리 금속을 홀수 원자 번호를 가지며, 태양계 내에서 인접한 원자 번호를 가진 원소(비활성 기체와 알칼리 토금속)만큼 흔하지 않다. 루비듐 이후의 무거운 알칼리 금속은 항성 핵합성에서는 만들어지지 않고, 초신성에서만 합성될 수 있기에 가벼운 금속보다 덜 풍부하다. 리튬은 대폭발 핵합성이나 항성 핵합성 어느 쪽에서도 잘 합성되지 않기 때문에 나트륨이나 칼륨보다 훨씬 덜 풍부하다. 5개에서 8개의 핵자를 가진 안정적인 원자핵이 없기 때문에 대폭발 과정에서 미량의 리튬, 베릴륨, 붕소만 합성된다. 항성 핵합성에서는 세 개의 헬륨 핵을 합성하여 탄소를 형성하는 삼중 알파 과정을 통해 이 세 원소를 건너뛴다. 알칼리 금속은 높은 반응성으로 인해 자연적으로는 순수한 금속 형태로 산출되지 않는다. 산소와 쉽게 결합하며, 이산화 규소와 강하게 결합하며, 상대적으로 밀도가 낮은 광물을 이뤄, 지구 중심부로 가라앉지 않고 지구 표면 근처에 남게 된다. 칼륨, 루비듐, 세슘도 이온 반지름이 크기 때문에 부적합 원소이다. 나트륨과 칼륨은 지구의 지각에서 가장 풍부한 10가지 원소에 속한다. 나트륨은 지각에서 6번째로 풍부한 원소로, 지각 질량의 약 2.6%를 차지하며, 칼륨은 지각에서 7번째로 풍부한 원소로, 지각 질량의 약 1.5%를 차지한다. 나트륨은 여러 많은 광물에서 발견되며, 그 중 가장 흔한 것은 바닷물에 녹아있는 방대한 양의 일반 소금(염화 나트륨)이다. 다른 고체 퇴적물로는 암염, 각섬석, 빙정석, 칠레 초석, 제올라이트 등이 있다. 또는 25 마이크로몰라로 추정된다. 마그네슘과의 대각 관계는 종종 철마그네슘 광물에서 마그네슘을 대신할 수 있게 하는데, 지각에서의 농도는 갈륨과 나이오븀과 비슷한 약 18 ppm이다. 상업적으로 가장 중요한 리튬 광물은 스포듀민으로, 전 세계적으로 널리 산출된다. 이들 광물은 루비듐과 함께 다른 알칼리 금속도 함유하고 있다. 프랑슘-223은 프랑슘의 유일한 천연 동위 원소로, 주어진 우라늄 표본에서, 1018 개의 우라늄 원자 당 하나의 프랑슘 원자가 있을 것으로 추정된다. 22분의 짧은 반감기 때문에 지구 표면에는 많아봐야 30 그램의 프랑슘만이 있는 것으로 계산되었다. 성질 >> 물리적 및 화학적 성질 알칼리 금속의 물리적 및 화학적 성질은 ns1 원자가 전자 배치를 하고 있어, 약한 금속 결합을 가진 것으로 쉽게 설명될 수 있다. 모든 알칼리 금속은 부드럽고 밀도가 낮으며, 녹는점과 끓는점이 낮으며, 승화열, 기화열, 해리열도 낮다. 체심 입방 격자의 결정 구조를 가지며, 바깥의 s 전자가 매우 쉽게 들뜨기 때문에 독특한 불꽃색을 가진다. ns1 전자 배열 때문에 원자 반지름과 이온 반지름이 매우 크며, 높은 열전도도와 전기 전도도를 가진다. 화학적 성질은 최외곽 s-궤도에 있는 유일한 원자가 전자를 잃고 +1 산화 상태를 가지는 것이 지배적인데, 전자를 잃어 이온화되는 것이 쉽고, 두번째 이온화 에너지는 매우 높기 때문이다. 대부분의 화학 작용은 처음 다섯 원소에서 대부분 관찰된다. 프랑슘의 화학적 성질은 높은 방사성 때문에 잘 확립되어 있지 않다. 프랑슘에 대해 알려진 것이 거의 없지만, 예상대로 세슘과 가깝게 행동한다는 것을 보여준다. 프랑슘의 물리적 성질은 대량으로 관찰한 적이 없기 때문에 더 피상적이다. 문헌에서 찾을 수 있는 데이터는 거의 대부분 추측성 외삽이다. 알칼리 금속은 다른 족 원소끼리에 비해 서로 더 비슷하다. 반응성이 증가하며, 세슘은 옅은 황금색 색조를 가지며, 색이 뚜렷한 세 금속 중 하나이다(다른 두 금속은 구리와 금이다). 할로젠과 공격적으로 반응하여 알칼리 금속 할로젠화물을 형성하는데, 흰색의 이온 결정 화합물로 플루오린화 리튬(LiF)을 제외하고는 모두 물에 녹는다. 알칼리 금속은 물 이외에도 알코올, 페놀, 기체 암모니아, 알카인 등의 양성자 주개와도 반응한다. 환원제로서의 큰 힘은 다른 산화물이나 할로젠화물에서 금속을 해방시키는데 매우 유용하게 쓰인다. 알칼리화물은 특이한 화학량론과 낮은 이온화 퍼텐셜 때문에 이론적 관심이 많다. 알칼리화물은 화학적으로 전자화물과 유사하며, 전자화물은 갇힌 전자가 음이온 역할을 하는 염이다. 알칼리화물의 특히 두드러진 예는 "역수소화 나트륨", H+Na−(두 이온 모두 착이온이다)이며, 일반적인 수소화 나트륨인 Na+H−과는 반대로, 수소에서 나트륨으로 두 전자의 이동 때문에 높은 에너지로 인해, 여러 유도체는 준안정 또는 안정적이나 분리되면 불안정하다. 수용액에서, 알칼리 금속 이온은 화학식 [M(H2O)''n'']+의 아쿠아 이온을 형성하며, 여기서 n은 용매화 수이다. 이온의 배위수와 모양은 이온 반지름에서 예측된 결과와 잘 일치한다. 수용액에서 금속 이온에 직접 부착된 물 분자는 일차 배위권에 속한다. 물 분자와 금속 이온 사이의 결합은 산소 원자가 두 전자를 모두 제공하는 공유 결합이다. 배위 결합된 물 분자는 수소 결합을 통해 다른 물 분자에 부착될 수 있다. 이 경우 이차 배위권에 있다고 한다. 그러나 알칼리 금속 양이온의 경우, 양이온의 +1 전하가 이차 배위권과 강한 수소 결합을 형성할 수 있을 만큼 일차 배위권의 물 분자를 편극시킬 만큼 충분히 높지 않아 2차 배위권이 잘 형성되지 않아, 보다 안정적인 실체를 생성한다.126–127 더 무거운 알칼리 금속의 경우 팔면체 모양의 헥사아쿠아 이온을 형성한다고 생각했으나, 그 이후로 칼륨과 루비듐은 엇사각기둥 모양의 [K(H2O)8]+와 [Rb(H2O)8]+ 이온을 형성하며, 세슘은 12극의 [Cs(H2O)12]+ 이온을 형성하는 것이 밝혀졌다. 리튬 리튬의 화학은 작은 Li+ 양이온이 음이온에 극성을 주고, 화합물에 더 많은 공유 결합성을 주기 때문에, 나머지 알칼리 금속의 화학과는 몇 가지 차이점을 보여준다. 또한 각각의 족 중에서 리튬과 마그네슘만이 충분한 공유 결합성을 가진 유기 금속 화합물(예: LiMe, MgMe2)을 형성한다. 플루오린화 리튬은 물에 잘 녹지 않는 유일한 알칼리 금속 할로젠화물이며,1729 프랑슘의 모든 알려진 물리적 성질은 첫 번째 이온화 에너지, 전자 친화도, 음이온 극성 등은 리튬에서 세슘으로의 추세를 벗어나지만, 프랑슘에 대한 알려진 데이터의 부족으로 인해 많은 출처가 상대론적 효과로 인해 리튬에서 세슘으로의 추세를 쓰기 어렵다는 점을 무시한 채 외삽된 값을 제시하고 있다.와 Fr2 분자의 해리 엔탈피 (42.1 kJ/mol)가 있다. CsFr 분자는 Cs+Fr−로 분극되며, 프랑슘의 7s 부껍질이 세슘의 6s 부껍질보다 상대론적 효과에 훨씬 더 강하게 영향을 받는다는 것을 보여준다. 주기성 알칼리 금속은 다른 족 원소끼리에 비해 서로 더 비슷하다. 반응성이 증가하며, 알칼리 금속에서 최외곽 전자는 내부 전자에 의해 일부 핵 전하가 취소되기 때문에 +1의 순 전하만을 느낀다. 알칼리 금속의 내부 전자의 수는 항상 핵 전하보다 하나 적다. 따라서 알칼리 금속의 원자 반지름에 영향을 미치는 유일한 요인은 전자 껍질의 수이다. 이 숫자가 아래로 내려갈수록 증가하기 때문에 원자 반지름도 아래로 갈수록 증가하게 된다.