Alkalimetaller

Grunnstoffene i gruppe 1 i periodesystemet: hydrogen (H) sammen med alkalimetallene litium (Li), natrium (Na), kalium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) og francium (Fr). Ytterste elektronskall er et s-orbital. De enverdige kationene K+, Rb+ og Cs+ har svært slike egenskaper og blir tatt opp i planter av samme opptakssystem. 

Natrium og kalium gikk under fellesnavnet gr. nitron, l. nitrum. Alkymistene kalte dem natron. Fra arabisk al-quali ga navnet alkali. Etter hvert oppdaget man at det var forskjell på natrium og kalium. Basen ble kalt natron (alcali minerale) og den andre for kali (alcali vegetale). I 1807 kunne kjemikeren Humphry Davy ved elektrolyse av hydroksidene lage metallene natrium (sodium) og kalium (potassium). Humphy oppdaget også jordalkalimetallene kalsium, strontium, barium, magnesium  samt bor. Alkalimetallene har mange like kjemiske egenskaper. Nedover i gruppen øker atomradien, elektronegativiteten minsker. Metallene av litium, natrium og kalium reagerer eksplosivt med vann. Alkalikationene har ladning +1 ved å avgi et elektron fra s-skallet, og har oksidasjonstall +1.  Ionene hydratiserer lett og er omgitt av en vannkappe. Inngår i svake ionebinindinger.   Kationene natrium (Na+) og kalium (K+) har viktige funksjoner i nervesystemet hos dyr. Hos planter har natrium ingen viktig funksjon, men det har imidlertid kalium. Planter inneholder høye konsentrasjoner kalium i cytosol, opptil 100 millimolar. Hydroksidene natronlut (NaOH) og kalilut (KOH) er sterkt basiske.

Natriumnitrat (NaNO3) inngår i Chilesalpeter og kan bli brukt som gjødsel. Kaliumnitrat (KNO3) er kalisalpeter (l. sal petrae – klippesalt) som gjødsel. KNO3 inngår i svartkrutt som oksidasjonsmiddel i et pulver med trekull og svovel. Natriumnitrat er hygroskopisk og er i så måte forskjellige fra kaliumnitrat.

Kalium-40 og rubidium-87 er naturlig forekommende radioaktive isotoper og bidrar til naturlig bakgrunnsstråling.. Kalium-40 desintegrerer med betastråling med halveringstid ca. 1.25∙109 år og danner kalsium-40 og elektroninnfangning (EC)

40K (β-) → 40Ca

40K (EC) → 40Ar

87-rubidium desintegerer med betastråling og halveringstid ca.5∙1010 år  og danner strontium-90

87Rb (β-) → 90Sr

Litium

Atomnummer 3, elektronkonfigurasjon [He]2seller 1s22s22p62s1 Litium finnes i mineralene lepidolitt, spodumen, petalitt og amblygonitt (Li,Na)Al(F,OH)PO4). Litium har egenskaper som skiller det fra resten av alkalimetallene. Den svenske kjemikeren Johan August Arfwedson (1792-1841) er kreditert opppdagelsen av litium i 1871 isolert som litiumsalt fra mineralet petalitt (LiAlSi4O10)  fra Utö ved Stockholm. Jöns Jakob Berzelius kalte grunnstoffer lithion (gr. lithos – stein). Kjemikeren Humphry Davy (1778-1829) laget metallet litium ved elektrolyse av smeltet litiumoksid. Litium er et lett grunnstoff har fått stor betydning i utvikling av litiumbatterier og  Li-ionbatterier innen elektrokjemi.

Natrium

Atomnummer 11, elektronkonfigurasjon [Ne]3seller 1s22s22p63s1. Fra antikken ble soda (natriumkarbonat, NaCO3) løst i vann brukt som vaskemiddel hvor karbonat (CO32-) virker basisk. Natrium finnes i mineralene feltspat (albit og Na-plagioklas). Fast natriumklorid (NaCl), koksalt eller havsalt, danner kubeformete krystaller, er ikke hygroskopisk, finnes som steinsalt og bergsalt. Hvis natriumklorid også inneholder magnesiumsalt virker det hygroskopisk.   Metallisk natrium i vann reagerer eksplosivt:

2Na + 2H2O → 2Na+ + 2OH- + H2

Stor fordampning gir opphav til sodasjøer i Egypt og California. Natriumkarbonat (NaCO3) finnes som hydrater med krystallvann ∙H2O, ∙7H2O og ∙10H2O (krystallsoda).

Varmes natriumkarbonatdekahydrat ( NaCO3 ∙10H2O) til 32oC periteknisk dannes heptahydratet NaCO3 ∙7H2O. Varmes opp til 35.3oC gir NaCO3 ∙H2O, og ved 112oC blir det vannfri NaCO3.

Kvarts tilsatt natriumkarbonat sammen med kalsiumoksid (CaO), magnesiumoksid (MgO) og aluminiumoksid (Al2O3) blir brukt i produksjon av sodaglass. 

Natriumsulfatdekahydrat (Na2SO4∙10H2O) kalles glaubersalt, navn etter Johann Rudolph Glauber.

Natriumklorid og svovelsyre (H2SO4) gir natriumsulfat og saltsyre (HCl)

2NaCl + H2SO4 →Na2SO4 + HCl

Den halvsyntetiske fiberen rayon eller viscose blir laget fra cellulose hvor lignin er fjernet. Først lages alkalisk cellulose ved å behandle i vann med ca. 15% natronlut (NaOH), videre behandlet med oksider og deretter tilsatt karbondisulfid (CS2) (giftig) og deretter svovelsyre. I denne prosessen blir natriumsulfat dannet som et biprodukt.

I produksjon av papir blir det laget sulfatcellulose i sulfatprosessen. Kjemikeren Carl F Dahl viste at brenning av natriumsulfat under reduserende betingelser ble det dannet natriumsulfid og sammen med natriumluft kunne man fjerne lignin og hemicellulose fra cellulosen og fikk sterke fibre med ren cellulose kalt kraftmasse. Rester blir brent i en sodapanne som gir energi til prosessen og resirkulering av kjemikalier.  

Natriumkarbonat

Leblanc-prosessen fra 1791 var en industriell metode for å lage natriumkarbonat (sodaaske), oppkalt etter den franske kjemiker Nicolas Leblanc (1742-1846).

Først blir det laget natriumsulfat (Na2SO4) i reaksjon mellom konsentrert svovelsyre (H2SO4) og natriumklorid (NaCl) ved ca. 800oC.

2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl

I neste trinn tilsettes kull (C) og kalkstein (CaCO3):

Na2SO4 + 2C → Na2S + 2CO2

Na2S + CaCO3 → Na2CO3 + CaS

Utvasking fra løvtreaske i leirpotter med vann gir pottaske (kaliumkarbonat, K2CO3), men fra saltplanter (halofytter), på spansk kalt barilla, og tang og tare var det mulig å utvinne natriumkarbonat (Na2CO3) brukt til vaskesoda. Kaliumkarbonat ble brukt til såpe og kaliglass, mens natriumkarbonat blir brukt til å lage såpe, sodaglass, baking (E500), som svak base eller til å myke hardt vann ved å fjerne Ca2+ og Mg2+. . Sodaglass laget ved smelting av en blanding av kvartssand (SiO2), kaliumkarbonat og natriumkarbonat.

Natriumkarbonat finnes også i forskjellige hydrater med 1, 7 eller 10 krystallvann (H2O).

Leblanc-prosessen ble utkonkurrert av Solvay ammoniakk-sodametoden

Solvayprosessen

Ved å boble karbondioksid (CO2) gjennom en vannløsning med ammoniakk (NH3), salt og og vann gir ammonium og hydrogenkarbonat

Navn etter den belgiske kjemikeren Ernest Solvay (1838-1922)

NH3 + CO2 + NaCl + H2O → NaHCO3 + NH4Cl

Natriumhydrogenkarbonat er lite løselig I en mettet saltløsning og felles ut. CO2 til reaksjonen og brent kalk, kalsiiumoksid (CaO) kommer fra brenning av kalkstein i en kalkovn:

CaCO3 → CaO + CO2

Kalsiumoksid virker sterkt basisk og gjendanner ammoniakk fra løsningen med ammoniumklorid (NH4Cl) og som på nytt kan inngå i prosessen:

2NH4Cl + CaO →2 NH3 + CaCl2 + H2O

Natriumhydrogenkarbonat (natriumbikarbonat, NaHCO3) blir omdannet til natriumkarbonat ved kalsinering ved høy temperatur ca. 200oC

2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O

Hvor også CO2 blir brukt på nytt i prosessen.

I Hou-prosessen, navn etter den kinesiske kjemikeren Hou Debang, starter med en produksjon av hydrogen fra dampreformering av metan brukt i Haber-Bosch-prosessen 3H2 + N2 → 2NH3

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2O

NH3 + CO2 + H2O → NH4HCO3

NH4HCO3 + NaCl → NaHCO3 + NH4Cl

Kalium

Atomnummer 19, elektronkonfigurasjon [Ar]4s1 eller1s22s22p63s23p64s1 Kaliumkarbonat (K2CO3) kalt pottaske ble isolert fra aske av løvetrevirke. Kalium finnes i mineralene feltspat, ortoklas og glimmermineral (muskovitt og biotitt), karmallitt (K,MgCl3∙6H2O), kainitt (K,Mg,Cl SO4∙3H2O), sylvin (KCl).

Rubidium

Atomnummer 37, elektronkonfigurasjon [Kr]5seller 1s22s22p63s23p63d104s24p6 5s1.  Oppdaget i 1861 (l. rubidus – mørkerød) navn etter fargen på spektrallinjen. 

Cesium

Atomnummer 55, elektronkonfigurasjon [Xe]6s1 eller 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s1. Cesium (l. caesius – himmelblå) ble oppdaget i 1860. Bunsen og Kirkchoff ga dem navn ut fra fargen på spektrallinjene. Radioaktivt cesium-137 med halveringstid ca. 30 år fra kjernekraftulykker akkumuleres og følger kalium gjennom de biologiske systemene.

Francium

Atomnummer 87, elektronkonfigurasjon [Rn]7s1 eller [Xe]4f145d106s26p67s1 . Den franske fysikeren  Marguerite Catherine Perey (1909-1975) oppdaget i 1939  francium som et mellomprodukt i aktiniumserien hvor aktinium-89 sendte ut alfa-stråling. Hun ga francium navn etter sitt hjemland.  

Tilbake til hovedside

Publisert 15. des. 2021 11:10 - Sist endret 3. jan. 2022 11:10