لیتیم، سدیم و پتاسیم همگی در گروه اول جدول تناوبی قرار دارند و در لایه ظرفیت خود یک الکترون دارند؛ بااینحال شدت واکنش آنها با آب یکسان نیست. سدیم روی آب حرکت میکند و گرمای واکنش میتواند آن را ذوب کند، درحالیکه پتاسیم معمولاً واکنشی تندتر نشان میدهد. برای توضیح این تفاوت، حفظکردن چند مشاهده کافی نیست؛ باید آرایش الکترونی، شعاع اتمی، پوششی و انرژی یونش را کنار انتقال الکترون و استوکیومتری واکنش قرار دهیم. در این مقاله معادله کلی و نیمواکنشها را میسازیم، روند واکنشپذیری گروه را توضیح میدهیم، رفتار فرآورده را بررسی میکنیم و مقدار هیدروژن حاصل را در یک مثال روشن حساب میکنیم.
فلزهای قلیایی با از دستدادن یک الکترون به یون مثبت میرسند
عنصرهای گروه اول، بهجز هیدروژن، فلز قلیاییاند. آرایش لایه ظرفیت آنها به صورت ns¹ است؛ یعنی تنها یک الکترون در بیرونیترین زیرلایه دارند. از دستدادن این الکترون، یون M⁺ با بار ۱+ میسازد و اتم را به آرایشی شبیه گاز نجیب پیش از خود میرساند. به همین علت عدد اکسایش رایج این فلزها در ترکیبها ۱+ است.
این شباهت آرایش ظرفیتی سبب میشود لیتیم، سدیم، پتاسیم و دیگر اعضای گروه در واکنش با آب الگوی فرآورده یکسانی داشته باشند. نماد M را میتوان نماینده یک فلز قلیایی گرفت. بااینحال یکسانبودن نوع واکنش به معنی یکسانبودن سرعت یا شدت آن نیست؛ اندازه اتم و نیروی نگهدارنده الکترون ظرفیت در طول گروه تغییر میکند.
- آرایش عمومی لایه ظرفیت گروه اول ns¹ است
- فلز قلیایی معمولاً یک الکترون از دست میدهد و M⁺ میسازد
- عدد اکسایش فلز در هیدروکسید آن ۱+ است
- شباهت فرآوردهها را از شدت واکنش جدا کن
معادله کلی، هیدروکسید فلز و گاز هیدروژن میسازد
واکنش کلی یک فلز قلیایی با آب به صورت 2M(s) + 2H₂O(l) → 2MOH(aq) + H₂(g) نوشته میشود. برای نمونه، واکنش سدیم 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ است. ضریب ۲ پیش از فلز و آب لازم است تا شمار اتمهای فلز، اکسیژن و هیدروژن در دو سوی معادله برابر باشد.
هیدروکسیدهای سدیم و پتاسیم در آب به یونهای M⁺ و OH⁻ تفکیک میشوند؛ بنابراین محلول حاصل بازی است و pH آن از ۷ بیشتر میشود. پیدایش گاز هیدروژن را میتوان از تشکیل حباب تشخیص داد، اما نزدیککردن شعله برای آزمودن گاز در این واکنش خطرناک است، زیرا خود واکنش گرما آزاد میکند و هیدروژن آتشگیر است.
- فرآوردهها: هیدروکسید فلز و H₂
- نسبت مولی M به H₂ برابر ۲ به ۱ است
- یون OH⁻ علت بازیشدن محلول است
- معادله را پیش از هر محاسبه موازنه کن
این واکنش یک فرایند اکسایشـکاهش است
عدد اکسایش فلز آزاد صفر است و در یون M⁺ به ۱+ میرسد؛ پس فلز اکسید میشود و الکترون از دست میدهد. نیمواکنش اکسایش برای دو اتم فلز چنین است: 2M → 2M⁺ + 2e⁻. در نتیجه فلز قلیایی نقش عامل کاهنده را دارد، زیرا الکترون لازم برای کاهش گونه دیگر را فراهم میکند.
در نیمواکنش کاهش، آب الکترون میگیرد: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻. عدد اکسایش هیدروژن در آب ۱+ و در H₂ صفر است، پس هیدروژن کاهش یافته است. با جمعکردن دو نیمواکنش، الکترونها حذف میشوند و معادله یونی 2M + 2H₂O → 2M⁺ + 2OH⁻ + H₂ به دست میآید؛ کنار هم قرارگرفتن M⁺ و OH⁻ همان MOH را میسازد.
- M: عدد اکسایش ۰ ← ۱+؛ اکسایش
- H در آب: عدد اکسایش ۱+ ← ۰؛ کاهش
- فلز قلیایی عامل کاهنده است
- شمار الکترونهای دادهشده و گرفتهشده باید برابر باشد
واکنشپذیری در پایین گروه اول افزایش مییابد
از لیتیم به سوی سدیم، پتاسیم، روبیدیم و سزیم تعداد لایههای الکترونی بیشتر و شعاع اتمی بزرگتر میشود. الکترون ظرفیت از هسته دورتر قرار میگیرد و الکترونهای درونی نیز بخشی از جاذبه هسته را میپوشانند. در نتیجه جداکردن الکترون بیرونی آسانتر و انرژی یونش نخست بهطور کلی کمتر میشود.
چون مرحله اصلی برای اکسیدشدن فلز، واگذاری همین الکترون است، آسانترشدن جدایش آن با افزایش واکنشپذیری همراه میشود. ترتیب کلی را میتوان Li < Na < K < Rb < Cs نوشت. این استدلال از روندهای تناوبی میآید: افزایش بار هسته بهتنهایی تعیینکننده نیست، زیرا افزایش فاصله و اثر پوششی در پایین گروه بر جاذبه مؤثر وارد بر الکترون ظرفیت غلبه میکند.
- در پایین گروه، شعاع اتمی افزایش مییابد
- اثر پوششی الکترونهای درونی بیشتر میشود
- انرژی یونش نخست بهطور کلی کاهش مییابد
- آسانترشدن از دستدادن الکترون، واکنشپذیری فلزی را بیشتر میکند
مشاهدههای واکنش نتیجه سرعت آزادشدن انرژیاند
لیتیم معمولاً آرامتر روی سطح آب حرکت میکند و حباب هیدروژن میسازد. سدیم سریعتر واکنش میدهد و چون نقطه ذوب پایینی دارد، گرمای آزادشده میتواند آن را به قطرهای کروی و مذاب تبدیل کند. پتاسیم سریعتر از سدیم هیدروژن تولید میکند و گرمای موضعی بیشتر میتواند به آتشگرفتن هیدروژن یا بخار فلز بینجامد.
رنگ شعله، اگر دیده شود، به برانگیختهشدن الکترونهای اتم یا یون و بازگشت آنها به ترازهای کمانرژیتر مربوط است؛ اما رنگ شعله معیار اصلی رتبهبندی واکنشپذیری نیست. همچنین شدت مشاهدهشده به جرم و سطح فلز، دمای آب و لایههای سطحی وابسته است. برای مقایسه علمی اعضای گروه باید شرایط آزمایش یکسان باشد.
- تندی تولید حباب در پایین گروه بیشتر میشود
- ذوبشدن سدیم با گرمای واکنش و نقطه ذوب پایین آن مرتبط است
- شدت واکنش را فقط از رنگ شعله نتیجه نگیر
- جرم، سطح تماس و دما را هنگام مقایسه ثابت نگه دار
مثال حلشده: حجم هیدروژن حاصل از سدیم را حساب کن
فرض کن 4.60 g سدیم با آب اضافی کامل واکنش دهد و حجم مولی گازها در شرایط مسئله 22.4 L/mol داده شده باشد. جرم مولی سدیم را 23.0 g/mol میگیریم؛ پس مقدار سدیم n(Na) = 4.60/23.0 = 0.200 mol است. آب اضافی است، بنابراین سدیم واکنشدهنده محدودکننده خواهد بود.
از معادله 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂، بهازای هر ۲ مول سدیم، ۱ مول هیدروژن ساخته میشود. پس n(H₂) = 0.200 × 1/2 = 0.100 mol و حجم آن V = 0.100 × 22.4 = 2.24 L است. همزمان 0.200 mol NaOH تشکیل میشود. استفاده از 22.4 L/mol فقط وقتی درست است که شرایط متناظر با همین حجم مولی در صورت سؤال مشخص شده باشد.
تمرین روشن: از حجم هیدروژن به جرم لیتیم برس
تمرین: چه جرم لیتیمی در واکنش کامل با آب، در شرایطی که حجم مولی گاز 22.4 L/mol است، 1.12 L هیدروژن تولید میکند؟ ابتدا n(H₂) = 1.12/22.4 = 0.050 mol. از نسبت 2Li به 1H₂، مقدار لیتیم 0.100 mol است. با جرم مولی تقریبی 6.94 g/mol، جرم لیتیم 0.694 g به دست میآید.
برای کنترل پاسخ، نسبت مولی را وارونه به کار نبر: مقدار فلز باید دو برابر مقدار هیدروژن باشد. اگر آب محدود باشد، دیگر نمیتوان مستقیم فرض کرد همه فلز مصرف میشود و باید n/ضریب هر دو واکنشدهنده را مقایسه کرد. حجم گاز نیز بدون دانستن دما و فشار یا حجم مولی دادهشده، از روی مول به عدد یکتایی تبدیل نمیشود.
نکات کلیدی و مسیر عملی حل مسئله
در سؤال مفهومی ابتدا جای عنصر را در گروه اول پیدا کن و آرایش ns¹ را به تشکیل M⁺ ربط بده. برای مقایسه اعضا، مسیر «لایه بیشتر ← شعاع و پوششی بیشتر ← جاذبه کمتر بر الکترون ظرفیت ← انرژی یونش کمتر ← واکنشپذیری بیشتر» را بنویس. این زنجیره علت روند را توضیح میدهد و از تکیه بر حفظ ترتیب جلوگیری میکند.
در سؤال محاسباتی، معادله 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂ را موازنهشده بنویس، داده را به مول تبدیل کن و نسبت مولی مناسب را به کار ببر. در پایان واحد و شرایط گاز را کنترل کن. واکنش واقعی فلزهای قلیایی، بهویژه اعضای سنگینتر، نمایشی ایمن برای انجام شخصی نیست و فقط باید با مقدارهای کنترلشده، حفاظ مناسب و نظارت آزمایشگاهی اجرا شود.
- فرآوردهها را MOH و H₂ بنویس
- در پایین گروه اول، واکنشپذیری بیشتر میشود
- فلز اکسید و هیدروژن آب کاهش مییابد
- نسبت مولی فلز به هیدروژن ۲ به ۱ است
- شرایط دما و فشار را در تبدیل مول گاز به حجم بررسی کن
- مشاهده یا تکرار این واکنش خارج از آزمایشگاه ایمن نیست
فلزهای قلیایی به دلیل آرایش ظرفیتی ns¹ تمایل دارند یک الکترون از دست بدهند و یون M⁺ بسازند. واکنش کلی آنها با آب 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂ است؛ فلز از عدد اکسایش صفر به ۱+ میرسد و عامل کاهنده است، درحالیکه هیدروژن آب از ۱+ به صفر کاهش مییابد. از لیتیم به سزیم، افزایش شعاع و پوششی و کاهش کلی انرژی یونش، واگذاری الکترون را آسانتر و واکنش را تندتر میکند. برای حل مسئله، داده را به مول تبدیل کن، نسبت ۲ مول فلز به ۱ مول H₂ را به کار ببر و حجم گاز را فقط با شرایط مشخص حساب کن. این واکنشها باید صرفاً در محیط آزمایشگاهی کنترلشده بررسی شوند.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.