(주기율의 이해) 알칼리 금속의 성질

 

앞에서 수소에 대해 살펴보았던 것처럼 이번에는 각 알칼리 금속의 성질을 주기율표에서의 위치와 관련지어 고찰해 보고, 이들 원소와 주요 화합물이 실생활에서는 어떻게 응용되는 지를 살펴볼 것입니다.

 

1족 원소 

1족에 소속된 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘 원소를 알칼리 금속이라고 합니다. 이들 원소의 화학적 성질은 서로 간에는 매우 유사하나, 다른 족 원소들과의 물리화학적 성질은 매우 다릅니다. 그럼에도 불구하고 이들의 성질은 각기 조금씩 다른 특성을 보이는데, 유사하면서도 미묘하게 다른 성질은 생체 내에서 중요한 역할을 합니다. 인간을 포함한 생물 내 신경세포는 신경세포막을 통해 안과 밖의 Na과 K의 정교한 물질 이동을 통해 신호가 전달됩니다. 

 

알칼리 금속은 모든 금속 중에서 반응성이 가장 큽니다. 알칼리 금속은 매우 쉽게 산화되는 특성을 가지고 있어 자연계에서는 원소 상태로 존재하는 것은 거의 불가능합니다. 이들을 포함하는 화합물로부터 얻어내는 것도 일반적인 환원제로는 불가능합니다. 순수한 알칼리 금속은 그 용융 염을 Downs 공정에 따라 전기분해하여 얻을 수 있습니다. 

 

모든 1족 원소는 연질의 은회색 금속입니다. 이들은 원자가전자가 한 개의 전자밖에 없기 때문에, 금속 결합을 형성하더라도 약한 화합물로 녹는점, 끓는점, 밀도가 낮습니다. 1족에서 아래로 갈수록 원자반지름이 더 커지고 한 개의 원자가 전자가 받는 유효 핵전하는 점점 줄어들므로 금속 결합은 더 약해집니다. 따라서 녹는점도 낮아집니다. 세슘은 상온보다 약간 높은 28도에서도 쉽게 녹습니다. 알칼리 금속 중 가장 단단한 리튬조차 납보다 무릅니다. 나트륨과 칼륨의 합금은 결합력이 약한데다가 크기가 서로 다른 원자들이 효율적으로 쌓일 수 없어 상온에서 액체로 존재합니다. 액체상의 나트륨-칼륨 혼합물은 끓는점이 높고 열전도성이 매우 좋으며 방사선에 의해 분해되지 않으므로 원자로에서 냉각제로 이용됩니다.   

 

알칼리 금속의 화학적 성질

알칼리 금속의 일차 이온화 에너지는 매우 작기 때문에(원자가전자를 잃는 데 적은 에너지가 필요함), 화합물에서 Na와 같이 1가 양이온으로 존재하며, 대부분의 화합물이 이온성입니다. 또한 표준 환원 전위는 전부 음의 값을 갖는데, 이렇게 작은 표준 환원 전위값때문에 알칼리 금속은 강력한 환원제로서 역할을 합니다. 심지어 물도 환원 시킬 수 있습니다. 

 

 

물과의 반응

물과의 반응성은 1족 아래로 갈수록 증가합니다. Na와 K는 물과 격렬히 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화 알칼리 금속 용액을 만듭니다. 1족 하단에 위치한 루비듐과 세슘의 경우는 위험할 정도로 폭발적으로 물과 반응하는데, 극격히 생성된 수소 기체는 충격파를 일으켜 담겨 있던 유리 용기를 깨뜨려 버릴 수도 있습니다. 리튬은 1족 금속 중 물과 제일 천천히 반응하지만, 용융된 리튬은 가장 반응성이 큰 금속의 하나로 알려져 있습니다. 

 

암모니아와의 반응

알칼리 금속은 액체 암모니아에 녹을 때에도 원자가전자를 내놓지만, 물과의 반응과는 다른 양상을 보입니다. 알칼리 금속이 물을 환원시켰다면, 암모니아에서는 알칼리 금속에서 빠져 나온 전자가 암모니아 분자를 환원시키지 않고 용매 분자들 사이의 공동(cavity)을 채워서 짙푸른 금속-암모니아 용액을 만듭니다. 암모니아 용액 내 금속의 농도가 점점 증가함에 따라 푸른색은 금속 광택의 청동색으로 짙게 변화하며, 액체 금속과 같이 전기 전도성도 가지게 됩니다. 이 용매화된 전자와 금속의 양이온을 포함하는 용액은 종종 유기 화합물을 환원시키는데에 이용되기도 합니다. 

 

비금속 원소와의 반응

모든 알칼리 금속은 불활성 기체를 제외한 거의 모든 비금속 원소와 직접 반응합니다. 그러나 질소의 경우에는 리튬만이 반응할 수있으며, 질소를 질소화 이온으로 환원시킵니다. 

 

산소와의 반응

알칼리 금속이 산소와 반응할 때 생기는 주생성물은 족의 아랫쪽으로 가면서 다릅니다. 일반적으로 크기가 유사한 양이온과 음이온이 만드는 이온 결합 화합물은 반지름 차가 큰 이온들 간의 화합물보다 상대적으로 안정합니다. 원소의 반지름은 1족의 아래로 갈수록 커지고 주기에서는 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 작아집니다. 즉 1족의 원소는 다른 원소들에 비에 반지름이 큰편입니다. Na는 양이온의 반지름이 더 커서 주로 아주 엷은 노라색의 과산화물(peroxide)을 형성합니다. 그보다 양이온 크기가 더 큰 K은 초과산화(superoxide) 이온을 포함하는 물질을 형성합니다.