Fiche explicative de la leçon: Métaux alcalins Chimie • Deuxième secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les composés et les réactivités des métaux alcalins, ainsi que la tendance dans leurs propriétés physiques et chimiques.

Les métaux alcalins font partie des éléments les plus inhabituels et les plus intéressants, car certains d’entre eux ont des propriétés, en apparence, contradictoires. Certains métaux alcalins sont des métaux si mous et si légers qu’ils peuvent être coupés avec des ciseaux et même flotter sur l’eau. D’autres métaux alcalins ont des points de fusion si bas qu’ils peuvent simplement fondre en une chaude journée d’été.

Les métaux alcalins sont parfois appelés les éléments du groupe 1 car ils forment la colonne la plus à gauche du tableau périodique. Les métaux alcalins comprennent les éléments lithium, sodium, potassium, rubidium, césium et francium. L’hydrogène se trouve également dans la colonne la plus à gauche du tableau périodique, mais il n’est pas classé en tant que métal alcalin ou de groupe 1, car dans les conditions standard il forme un gaz qui n’est pas métallique.

Le lithium est le métal alcalin le plus léger et sa masse volumique est si faible qu’il peut flotter sur l’eau. La masse volumique du lithium est de seulement 0,53 g/cm³ alors que la masse volumique de l’eau du robinet est d’environ 1,00 g/cm³ à température ambiante et pression atmosphérique. Les atomes de lithium sont incroyablement petits et ne contiennent que trois électrons. Le francium est l’un des métaux purs les plus réactifs connus, et il possède également les plus gros atomes de tous les éléments du tableau périodique. Le francium est l’élément naturel le plus instable, et on pense qu’il existe moins de trente grammes de francium sur Terre à tout moment. Les métaux alcalins ont de nombreuses propriétés physiques intéressantes, et nous pouvons comprendre la plupart de ces propriétés en comparant leurs différentes configurations électroniques.

Les métaux alcalins ont tous une couche de valence, mais ils ont différentes configurations dans leurs couches internes d’électrons. Le lithium n’a qu’une seule couche interne d’électrons ; le sodium en a deux, tandis que le césium et le francium ont respectivement cinq et six couches internes d’électrons. Il est plus difficile de retirer un électron d’un atome de métal alcalin si celui-ci est petit et qu’il possède moins de couches internes d’électrons. Le nombre de couches internes, et donc d’électrons, influence la réactivité du métal ; par exemple, les atomes de césium métallique sont relativement grands et réagissent de manière explosive avec l’eau. Les atomes de lithium et de sodium sont beaucoup plus petits que le césium et réagissent beaucoup moins intensément. Les schémas suivants représentent la configuration électronique d’un atome de lithium et d’un atome de césium.

La masse volumique, en général, augmente quand on descend dans la colonne des métaux du groupe 1 du tableau périodique, car le nombre de masse augmente systématiquement quand on va du lithium vers le francium. La masse volumique est essentiellement déterminée par le rapport entre le nombre de masse et le diamètre atomique moyen. La masse volumique est élevée quand le rapport entre le nombre de masse et le diamètre atomique est élevé. La masse volumique est faible lorsque le rapport entre le nombre de masse et le diamètre atomique est faible. Le nombre de masse augmente systématiquement quand on descend dans la première colonne du tableau périodique, mais les diamètres atomiques (ou les rayons atomiques) augmentent de manière moins prévisible. Cela signifie que la masse volumique augmente généralement quand nous descendons dans la première colonne du tableau périodique, mais qu’il y a des exceptions : le potassium est en fait moins dense que le sodium.

Les masse volumiques des métaux alcalins semblent être très faibles comparées à celles des métaux de transition et des métaux de post-transition (métaux pauvres). Le lithium a une masse volumique de 0,53 g/cm³ et le sodium et le potassium ont des masse volumiques de 0,97 g/cm³ et 0,89 g/cm³, respectivement. Les métaux de transition comme l’or et l’argent ont des masse volumiques respectives de 19,32 g/cm³ et 10,49 g/cm³, alors que les métaux de post-transition tels que l’étain et le bismuth ont des masse volumiques respectives de 7,29 g/cm³ et 9,79 g/cm³.

La liaison métallique peut être décrite comme l’attraction électrostatique entre des cations chargés positivement et des électrons délocalisés. Les interactions électrostatiques sont plus fortes lorsque les cations chargés positivement et les électrons chargés négativement sont concentrés dans un petit volume, et que la distance moyenne qui les sépare est moindre. Les particules de charges opposées sont plus proches quand les atomes ou ions métalliques sont petits et ne prennent pas trop de place. Il faut donc plus d’énergie pour briser un réseau métallique constitué de particules plus petites, car les particules peuvent se serrer plus proches les unes des autres. Le point de fusion et la dureté, en général, augmentent quand on monte dans la colonne des métaux alcalins dans le tableau périodique, car les atomes de métal du groupe 1 deviennent plus petits et leur liaison métallique devient plus forte.

Les métaux alcalins sont capables de former des cristaux ioniques relativement stables, des sels, lorsqu’ils réagissent avec un des halogènes. L’équation chimique équilibrée montre comment faire réagir du sodium métallique avec du chlore gazeux pour former des cristaux de chlorure de sodium.

De même, l’équation équilibrée montre la réaction du potassium métallique avec le brome gazeux pour former des cristaux de bromure de potassium.

Les réactions entre les gaz halogènes et les métaux alcalins peuvent être résumées par l’équation où le symbole représente les métaux alcalins et le symbole représenter les atomes d’halogène.

Il y a d’autres réactions chimiques qui peuvent être utilisées pour former des cristaux ioniques stables à partir de métaux alcalins. Un exemple est la réaction des métaux alcalins avec des solutions aqueuses d’acides. L’équation chimique montre comment l’acide chlorhydrique peut réagir avec le sodium métallique pour former du chlorure de sodium.

De même, l’équation chimique équilibrée montre la réaction de l’acide chlorhydrique avec le lithium métallique pour former du chlorure de lithium.

De nombreuses réactions entre les métaux alcalins et les acides peuvent être résumées par une équation générique simple utilisant le symbole pour représenter les métaux alcalins et le symbole pour représenter les ions hydrogène : 

Les métaux alcalins peuvent également réagir avec des molécules diatomiques d’oxygène pour former des composés ioniques complètement différents. L’équation chimique équilibrée montre la réaction du lithium métallique solide avec des molécules d’oxygène gazeux pour former de l’oxyde de lithium solide .

De même, le sodium peut réagir avec l’oxygène pour produire de l’oxyde de sodium  : 

Un autre composé peut être formé à la suite d’une réaction du sodium métallique avec des molécules d’oxygène, le peroxyde de sodium  : 

De la même manière, le potassium métallique peut réagir avec l’oxygène gazeux pour former du peroxyde de potassium  : 

De plus, le potassium et les autres métaux alcalins plus lourds peuvent également réagir avec des molécules d’oxygène pour former des superoxydes, composés plutôt inhabituels. L’équation équilibrée montre la réaction du potassium avec l’oxygène pour former le superoxyde de potassium solide.

Tous les métaux alcalins peuvent réagir avec l’eau, mais certains réagissent beaucoup plus fortement que les autres. Ces réactions produisent presque toujours de l’hydrogène gazeux et un composé soluble d’hydroxyde métallique. Elles peuvent être résumées par l’équation où le symbole représente les métaux alcalins.

L’équation montre comment le sodium métallique solide réagit avec l’eau liquide pour produire de l’hydrogène gazeux et de l’hydroxyde de sodium aqueux.

Comme nous l’avons vu, la réactivité des métaux alcalins augmente généralement quand on descend dans le tableau périodique, et cette règle générale est vraie pour la réaction des métaux alcalins avec l’oxygène gazeux et l’eau liquide. Le lithium, en haut du groupe, réagit assez énergiquement avec l’eau. Le sodium et le potassium, en dessous du lithium dans le tableau périodique, réagissent encore plus vigoureusement quand ils sont mélangés avec de l’eau liquide. Le rubidium est sous le potassium dans le tableau périodique, et il est généralement interdit de le faire réagir avec de l’eau dans les salles de classe, car la réaction est si violente qu’elle peut causer des blessures.

Les électrons les plus externes des plus grands atomes de métal alcalin ont des interactions électrostatiques plus faibles avec les protons chargés positivement, et il faut moins d’énergie pour les déplacer et provoquer une réaction chimique. Nous pouvons utiliser ce raisonnement pour prédire que le césium doit réagir encore plus violemment avec l’eau que le rubidium. L’équation chimique équilibrée montre comment le césium métallique peut réagir avec l’eau pour produire de l’hydroxyde de césium et de l’hydrogène gazeux.

Les métaux alcalins peuvent également être chauffés avec de l’hydrogène gazeux pour former des hydrures de métaux alcalins tels que l’hydrure de lithium ou l’hydrure de sodium . L’équation équilibrée montre comment le sodium métallique réagit avec l’hydrogène gazeux pour produire l’hydrure de sodium.

Les réactions entre les métaux alcalins et les molécules d’hydrogène gazeux peuvent être résumées par l’équation générale où le symbole représente les métaux alcalins et le symbole représente les hydrures métalliques produits.

Nous avons donc vu comment tous les métaux alcalins réagissent avec des substances comme l’eau et l’hydrogène. Cependant, il est important de réaliser que certains des métaux alcalins suivent des réactions chimiques qui les distinguent de tous les autres métaux du groupe. Le lithium, par exemple, peut réagir avec l’azote gazeux pour former du nitrure de lithium , et ce nitrure de lithium ainsi produit peut ensuite réagir avec de l’eau liquide pour former de l’ammoniac. L’équation équilibrée montre la réaction du lithium métallique avec l’azote gazeux pour produire du nitrure de lithium.

L’équation équilibrée montre la réaction de ce nitrure de lithium avec l’eau liquide pour former de l’ammoniac, un produit d’importance économique.