I- VỊ TRÍ VÀ CẤU TẠO
1. Vị trí của kim loại kiềm trong bảng tuần hoàn
Sáu nguyên tố hóa học đứng sau các nguyên tố khí hiếm là liti $(Li)$, natri $(Na)$, kali $(K)$, rubiđi $(Rb)$, xesi $(Cs)$, franxi $(Fr)$ được gọi là các kim loại kiềm. Các kim loại kiềm thuộc nhóm $IA$, đứng ở mỗi đầu chu kì (trừ chu kì 1 )
2. Cấu tạo và tính chất của kim loại kiềm
Cấu hình electron: Kim loại kiềm là những nguyên tố $s$. Lớp electron ngoài cùng của nguyên tử chỉ có ở $1e$, ở phân lớp $ns^1$ ($n$ là số thứ tự của chu kì). So với những electron khác trong nguyên tử thì electron $ns^1$ ở xa hạt nhân nguyên tử nhất, do đó dễ tách khỏi nguyên tử.
Các cation $M^+$ của kim loại kiềm có cấu hình electron của nguyên tử khí hiếm đứng trước.
Thí dụ:
$Na \xrightarrow{{ }}Na^++e$
$[Ne]3s^1$ $[Ne]$
$Rb \xrightarrow{{ }}Rb^++e$
$[Kr]5s^1$ $[Kr]$
Năng lượng ion hóa: Các nguyên tử kim loại kiềm có năng lượng ion hóa $I_1$ nhỏ nhất so với các kim loại khác cùng chu kì.
Thí dụ:
Kim loại: $Na$ $Mg$ $Al$ $Fe$ $Zn$
$I_1 (kJ/mol):$ $497$ $738$ $578$ $759$ $906$
Do vậy, các kim loại kiềm có tính khử rất mạnh: $M \xrightarrow{{ }} M^++e$
Năng lượng ion hóa $I_2$ của các nguyên tử kim loại kiềm lớn hơn năng lượng ion hóa $I_1$ nhiều lần (từ 6 đến 14 lần). Vì vậy, trong các phản ứng hóa học nguyên tử kim loại kiềm chỉ nhường 1 electron.
Trong nhóm kim loại kiềm, năng lượng ion hóa $I_1$ giảm dần từ $Li$ đến $Cs$.
Số oxi hóa: Trong các hợp chất, nguyên tố kim loại kiềm chỉ có số oxi hóa $+1$
Thế điện cực chuẩn: Thế điện cực chuẩn của kim loại kiềm có giá trị rất âm.
II- TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Các kim loại kiềm có cấu tạo mạng tinh thể lập phương tâm khối là kiểu mạng kém đặc khít
1. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi
Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các kim loại kiềm thấp hơn nhiều so với các kim loại khác. Thí dụ, nhiệt độ nóng chảy của các kim loại kiềm đều thấp hơn $200^0C$
Tính chất này là do liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại kiềm kém bền vững.
2. Khối lượng riêng
Khối lượng riêng của các kim loại kiềm cũng nhỏ hơn so với các kim loại khác.
Khối lượng riêng của các kim loại kiềm nhỏ là do nguyên tử của các kim loại kiềm có bán kính lớn và do cấu tạo mạng tinh thể của chúng kém đặc khít.
3. Tính cứng
Các kim loại kiềm đều mềm, có thể cắt chúng bằng dao. Tính chất này là do liên kết kim loại trong mạng tinh thể yếu.
III- TÍNH CHẤT HÓA HỌC
Các nguyên tử kim loại kiềm đều có năng lượng ion hóa $I_1$ thấp và thế điện cực chuẩn $E^0$ có giá trị rất âm. Vì vậy kim loại kiềm có tính khử rất mạnh.
1. Tác dụng với phi kim
Hầu hết các kim loại kiềm có thể khử được các phi kim. Thí dụ, kim loại $Na$ cháy trong môi trường khí oxi khô tạo ra natri peoxit $Na_2O_2$. Trong hợp chất peoxit, oxi có số oxi hóa $-1:$
$$2Na+O_2 \xrightarrow{{t^0}} Na_2O_2 (r)$$
2. Tác dụng với axit
Do thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa - khử $E^0_{2H^+/H_2}=0,00 V$, thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa - khử của kim loại kiềm đều có thể khử dễ dàng ion $H^+$ của dung dịch axit ($HCl, H_2SO_4$ loãng) thành khí $H_2$ (phản ứng gây nổ nguy hiểm):
\[2Li + 2HCl\xrightarrow{{ }}2LiCl + {H_2} \uparrow \]
Dạng tổng quát: \[2M + 2{H^ + }\xrightarrow{{ }}2{M^ + } + {H_2} \uparrow \]
3. Tác dụng với nước
Vì thế điện cực chuẩn $(E^0_{M^+/M})$ của kim loại kiềm nhỏ hơn nhiều so với thế điện cực của hidro ở $pH=7(E^0_{H_2O/H_2}=-0,41 V)$ nên kim loại kiềm khử được nước dễ dàng, giải phóng khí hiđro:
\[2Na + 2{H_2}O\xrightarrow{{ }}2NaOH(dd) + {H_2} \uparrow \]
Dạng tổng quát:
\[2M + 2{H_2}O\xrightarrow{{ }}2MOH(dd) + {H_2} \uparrow \]
Do vậy, các kim loại kiềm được bảo quản bằng cách ngâm chìm trong dầu hỏa.
IV- ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ
1. Ứng dụng của kim loại kiềm
Kim loại kiềm có nhiều ứng dụng quan trọng:
Chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp dùng trong thiết bị báo cháy,...
Các kim loại kali và natri dùng làm chất trao đổi nhiệt trong một vài lò phản ứng hạt nhân.
Kim loại xesi dùng chế tạo tế bào quang điện.
Kim loại kiềm được dùng để điều chế một số kim loại hiếm bằng phương pháp nhiệt luyện.
Kim loại kiềm được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ.
2. Điều chế kim loại kiềm
Kim loại kiềm dễ bị oxi hóa thành ion dương, do vậy trong tự nhiên kim loại kiềm chỉ tồn tại ở dạng hợp chất.
Điều chế kim loại kiềm bằng cách khử ion của chúng:
$$M^++e \xrightarrow{{ }} M$$
Tuy nhiên, không có chất nào khử được ion kim loại kiềm.
Phương pháp thường dùng để điều chế kim loại kiềm là điện phân nóng chảy muối halogenua của kim loại kiềm.
Thí dụ: điện phân muối $NaCl$ nóng chảy
Để hạ nhiệt độ nóng chảy của $NaCl$ ở $800^0C$ xuống nhiệt độ thấp hơn, người ta dùng hỗn hợp gồm 2 phần $NaCl$ và 3 phần $CaCl_2$ theo khối lượng. Hỗn hợp này có nhiệt độ nóng chảy dưới $600^0C$ . Cực dương (anot) bằng than chì (graphit), cực âm (catot) bằng thép. Giữa hai cực có vách ngăn bằng thép.
Các phản ứng xảy ra ở các điện cực:
Ở catot (cực âm) xảy ra sự khử ion $Na^+$ thành kim loại $Na$: $Na^++e \xrightarrow{{ }} Na$
Ở anot (cực dương) xảy ra sự ion hóa ion $Cl^-$ thành $Cl_2$: $2Cl^- \xrightarrow{{ }} Cl_2+2e$
Phương trình điện phân: $2NaCl \xrightarrow{{đpnc}} 2Na + H_2 \uparrow $