알칼리 금속

알칼리 금속(Alkali metal)은 리튬 (Li), 나트륨 (Na), 칼륨 (K),^{[note 1]} 루비듐 (Rb), 세슘 (Cs),^{[note 2]} 프랑슘 (Fr)의 원소로 구성된다. 이 원소는 수소와 함께 1족을 구성하며,^{[note 3]} 주기율표의 S-구역에 있다. 모든 알칼리 금속은 가장 바깥 s-오비탈에 전자를 하나 가지고 있으며, 이러한 공통된 전자 배열은 매우 유사한 특성들을 갖게 한다.^{[note 4]} 실제로 알칼리 금속은 주기율표에서 족 경향성을 가장 잘 보여주는 예시이며, 원소들은 잘 특징지어지는 동족 행동을 보인다.^[5] 이 원소족은 선두 원소의 이름을 따서 리튬족으로도 알려져 있다.

알칼리 금속
수소 헬륨 리튬 베릴륨 붕소 탄소 질소 산소 플루오린 네온 나트륨 마그네슘 알루미늄 규소 인 황 염소 아르곤 칼륨 칼슘 스칸듐 타이타늄 바나듐 크로뮴 망가니즈 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 저마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤 루비듐 스트론튬 이트륨 지르코늄 나이오븀 몰리브데넘 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 은 카드뮴 인듐 주석 안티모니 텔루륨 아이오딘 제논 세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로퓸 가돌리늄 터븀 디스프로슘 홀뮴 어븀 툴륨 이터븀 루테튬 하프늄 탄탈럼 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 백금 금 수은 탈륨 납 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈 프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로트악티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 퀴륨 버클륨 캘리포늄 아인슈타이늄 페르뮴 멘델레븀 노벨륨 로렌슘 러더포듐 더브늄 시보귬 보륨 하슘 마이트너륨 다름슈타튬 뢴트게늄 코페르니슘 니호늄 플레로븀 모스코븀 리버모륨 테네신 오가네손 비활성 기체 ←    → 알칼리 토금속
IUPAC 족 번호 1 원소별 이름 리튬족 일반명 알칼리 금속 CAS 족 번호 (미국, A-B-A 패턴) IA 구 IUPAC 번호 (유럽, A-B 패턴) IA

↓ 주기
2	리튬 (Li) 3
3	소듐 (Na) 11
4	포타슘 (K) 19
5	루비듐 (Rb) 37
6	세슘 (Cs) 55
7	프랑슘 (Fr) 87
범례 원시 방사성 붕괴로 인한 원소

알칼리 금속은 모두 표준 온도 압력에서 광택이 있고 무르며, 반응성이 매우 높은 금속이며, 쉽게 가장 바깥쪽 전자를 잃고 +1의 전하를 가진 양이온을 형성한다. 이들은 모두 무르기 때문에 칼로 쉽게 자를 수 있으며, 잘린 면은 대기 중 수분과 산소에 의한 산화 (리튬의 경우 질소) 때문에 공기 중에서 빠르게 광택을 잃는다. 반응성이 높기 때문에 공기와의 반응을 막기 위해 오일 속에 보관해야 하며, 자연에서는 염 형태로만 존재하고 자유 원소로는 발견되지 않는다. 다섯 번째 알칼리 금속인 세슘은 모든 금속 중에서 가장 반응성이 높다. 모든 알칼리 금속은 물과 반응하며, 무거운 알칼리 금속일수록 가벼운 금속보다 더 격렬하게 반응한다.

발견된 모든 알칼리 금속은 자연에서 화합물 형태로 존재한다. 존재비 순서대로 나열하면 나트륨이 가장 풍부하며, 그 다음으로 칼륨, 리튬, 루비듐, 세슘 순이고 마지막으로 프랑슘은 극도로 높은 방사능 때문에 매우 희귀하다. 프랑슘은 자연의 일부 알려지지 않은 붕괴 사슬의 중간 단계에서 미량으로만 존재한다. 다음 족 원소가 될 것으로 예상되는 119번 원소의 합성을 시도하는 실험이 진행되었으나 성공하지 못했다. 그러나 우누넨늄은 초악티늄족 원소의 화학적 특성에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 상대론적 효과 때문에 알칼리 금속이 아닐 수도 있다. 설령 알칼리 금속으로 밝혀지더라도, 더 가벼운 동족체와는 물리적, 화학적 특성에서 일부 차이를 보일 것으로 예측된다.

대부분의 알칼리 금속은 다양한 용도로 사용된다. 순수 원소의 가장 잘 알려진 응용 분야 중 하나는 원자 시계에 루비듐과 세슘을 사용하는 것으로, 세슘 원자 시계는 초의 정의의 기초를 이룬다. 나트륨 화합물의 일반적인 응용은 빛을 매우 효율적으로 방출하는 나트륨등이다. 식용 소금, 즉 염화 나트륨은 고대부터 사용되어 왔다. 리튬은 정신과 약물 및 리튬 전지의 애노드로 사용된다. 나트륨, 칼륨, 그리고 아마도 리튬은 전해질로서 중요한 생물학적 역할을 하는 필수 원소이며, 다른 알칼리 금속들은 필수적이지는 않지만 몸에 유익하거나 해로운 다양한 영향을 미 미친다.

역사

리튬이 처음 분리된 리튬 광물인 엽장석

나트륨 화합물은 고대부터 알려져 있었다. 소금(염화 나트륨)은 인간 활동에서 중요한 상품이었다. 포타시는 고대부터 사용되었지만, 역사 대부분 동안 나트륨 광물 염과는 근본적으로 다른 물질로 이해되지 않았다. 게오르크 에른스트 슈탈은 1702년에 나트륨과 칼륨 염의 근본적인 차이를 시사하는 실험적 증거를 얻었고,^[6] 앙리 루이 뒤아멜 뒤 몽소는 1736년에 이 차이를 증명할 수 있었다.^[7] 칼륨과 나트륨 화합물의 정확한 화학 조성과 칼륨 및 나트륨의 원소로서의 지위는 당시 알려지지 않았으므로, 앙투안 라부아지에는 1789년 자신의 원소 목록에 어떤 알칼리도 포함하지 않았다.^[8][9]

순수 칼륨은 1807년 잉글랜드에서 험프리 데이비가 새로 발명된 볼타 전지를 이용한 용융염의 전기 분해를 통해 수산화 칼륨 (KOH)에서 분리하여 처음으로 얻었다. 이전의 수용액 염 전기 분해 시도는 칼륨의 극심한 반응성 때문에 실패했다.^[10]:68 칼륨은 전기 분해로 분리된 최초의 금속이다.^[11] 같은 해 후반에 데이비는 유사한 기술로 유사 물질인 수산화 나트륨 (NaOH, 잿물)에서 나트륨을 추출했다고 보고하며, 이 원소와 염이 서로 다름을 입증했다.^{[8][9][12][13]}

요한 볼프강 되베라이너는 오늘날 알칼리 금속으로 알려진 원소들 사이의 유사성을 처음으로 발견한 사람들 중 한 명이다.

엽장석(LiAlSi
4O
10)은 1800년 브라질 화학자 조제 보니파시우 드 안드라다 이 시우바가 스웨덴 위퇴 섬의 광산에서 발견했다.^[14][15][16] 그러나 1817년이 되어서야 화학자 옌스 야코브 베르셀리우스의 연구실에서 일하던 요한 아우구스트 아르프베드손이 엽장석 광석을 분석하던 중 새로운 원소의 존재를 발견했다.^[17][18] 그는 이 새로운 원소가 나트륨과 칼륨 화합물과 유사한 화합물을 형성하지만, 탄산염과 수산화물은 다른 알칼리 금속보다 물에 덜 용해되고 더 염기성이라는 것을 발견했다.^[19] 베르셀리우스는 미지의 물질에 "돌"을 의미하는 고대 그리스어 단어 λιθoς (리토스, lithos)에서 따온 리티온/리티나(lithion/lithina)라는 이름을 붙였는데, 이는 식물 재에서 발견된 칼륨이나 동물 혈액에 풍부한 나트륨과 달리 고체 광물에서 발견되었음을 반영한다. 그는 그 물질 안의 금속을 리튬이라고 명명했다.^[20][15][18] 리튬, 나트륨, 칼륨은 1850년 요한 볼프강 되베라이너가 비슷한 성질을 가진 같은 족의 세 원소 중 하나로 언급하면서 주기성 발견의 일부가 되었다.^[21]

루비듐이 처음 분리된 루비듐 광물인 레피돌라이트

루비듐과 세슘은 1859년 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프가 발명한 분광기를 사용하여 처음으로 발견된 원소이다.^[22] 다음 해 그들은 독일 바트 뒤르크하임의 광천수에서 세슘을 발견했다. 그들의 루비듐 발견은 다음 해 독일 하이델베르크에서 레피돌라이트 광물에서 이루어졌다.^[23] 루비듐과 세슘의 이름은 그들의 방출 스펙트럼에서 가장 두드러진 선에서 유래한다. 루비듐은 밝은 붉은색 선에서(라틴어 rubidus, 즉 "어두운 붉은색" 또는 "밝은 붉은색"에서 유래), 세슘은 하늘색 선에서(라틴어 caesius, 즉 "하늘색"에서 유래) 유래한다.^[24][25]

1865년경 존 알렉산더 레이나 뉴랜즈는 원소들을 원자량 증가 순서와 8개 간격으로 반복되는 유사한 물리적, 화학적 특성에 따라 나열한 일련의 논문을 발표했다. 그는 이러한 주기성을 옥타브가 서로 비슷한 음악적 기능을 가진 음악의 옥타브에 비유했다.^[26][27] 그의 버전은 당시 알려진 모든 알칼리 금속(리튬에서 세슘까지), 여기에 구리, 은, 탈륨 (알칼리 금속의 특징인 +1 산화 상태를 보이는)을 한 족으로 묶었다. 그의 표는 수소를 할로젠과 함께 배치했다.^[21]

드미트리 멘델레예프가 1871년에 제안한 주기율표로, 수소와 알칼리 금속이 구리, 은, 금과 함께 1족에 포함되어 있다.

1869년 이후 드미트리 멘델레예프는 자신의 주기율표를 제안하며 리튬을 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 탈륨과 함께 한 족의 맨 위에 배치했다.^[28] 2년 후 멘델레예프는 자신의 표를 수정하여 수소를 리튬 위 1족에 배치하고, 탈륨을 붕소족으로 옮겼다. 1871년 버전에서 구리, 은, 금은 두 번 배치되었는데 한 번은 IB족의 일부로, 다른 한 번은 오늘날의 8족에서 11족을 포함하는 "VIII족"의 일부로 배치되었다.^{[29][note 5]} 18열 주기율표가 도입된 후, IB족 원소는 D-구역의 현재 위치로 이동되었고, 알칼리 금속은 IA족에 남았다. 이후 이 족의 이름은 1988년에 1족으로 변경되었다.^[4] 관용명 "알칼리 금속"은 1족 원소의 수산화물이 물에 녹을 때 모두 강한 알칼리라는 사실에서 유래한다.^[5]

마르게리트 페레가 1939년 퀴리 연구소에서 220 keV의 붕괴 에너지를 가졌다고 보고된 악티늄-227 샘플을 정제하여 프랑슘을 발견하기 전까지 적어도 네 번의 잘못되고 불완전한 발견이 있었다.^{[30][31][32][33]} 그러나 페레는 80 keV 미만의 에너지 준위를 가진 붕괴 입자를 발견했다. 페레는 이 붕괴 활동이 이전에 식별되지 않은 붕괴 생성물, 즉 정제 과정에서 분리되었지만 순수한 악티늄-227에서 다시 나타난 생성물에 의해 발생했을 수 있다고 생각했다. 다양한 테스트를 통해 미지의 원소가 토륨, 라듐, 납, 비스무트, 또는 탈륨일 가능성을 배제했다. 새로운 생성물은 알칼리 금속의 화학적 특성(예: 세슘 염과 공침하는 특성)을 보였고, 이는 페레가 그것이 악티늄-227의 알파 붕괴로 생성된 87번 원소라고 믿게 만들었다.^[34] 페레는 이어서 악티늄-227의 베타 붕괴 대 알파 붕괴 비율을 결정하려고 시도했다. 그녀의 첫 번째 테스트에서 알파 분기는 0.6%로 나왔고, 이 수치는 나중에 1%로 수정되었다.^[35]

227
89Ac
α (1.38%)→21.77 y 223
87Fr
β⁻→22 min 223
88Ra
α→11.4 d219
86Rn

프랑슘 아래 주기율표의 다음 원소(에카-프랑슘)는 119번 원소인 우누넨늄 (Uue)이다.^{[36]:1729–1730} 우누넨늄의 합성은 1985년 캘리포니아 버클리에 있는 로런스 버클리 국립연구소의 슈퍼HILAC 가속기에서 아인슈타이늄-254 표적에 칼슘-48 이온을 충돌시키는 방식으로 처음 시도되었다. 원자는 확인되지 않았으며, 300 nb의 제한적인 수율을 보였다.^[37][38]

254
99Es
+ 48
20Ca
→ 302
119Uue
* → 원자 없음^{[note 6]}

초중원소 생산에 선호되는 아인슈타이늄-254를 충분히 만들기가 극도로 어렵고, 그 무게가 크고, 반감기가 270일로 비교적 길며, 수 마이크로그램의 상당한 양을 얻을 수 있다는 점을 감안할 때,^[39] 필요한 수준으로 실험의 민감도를 높일 만큼 충분히 큰 표적을 만들 수 없기 때문에^[37] 이 반응으로 가까운 미래에 우누넨늄 원자를 생성할 가능성은 매우 낮다. 아인슈타이늄은 자연에서 발견되지 않았으며, 실험실에서만 생산되었는데 초중원소의 효과적인 합성에 필요한 양보다 적은 양으로 생산되었다. 그러나 우누넨늄이 확장 주기율표에서 첫 번째 8주기 원소에 불과하다는 점을 감안할 때, 다른 반응을 통해 가까운 미래에 발견될 수도 있으며, 실제로 일본에서는 현재 합성을 시도하고 있다.^[40] 현재까지 8주기 원소는 발견되지 않았으며, 핵자 방울선 불안정성 때문에 약 128번 원소까지의 낮은 8주기 원소들만이 물리적으로 가능할 수도 있다.^[41][42] 더 무거운 알칼리 금속에 대한 합성 시도는 없다. 이는 매우 높은 원자 번호 때문에 새로운, 더 강력한 방법과 기술이 필요하기 때문이다.^{[36]:1737–1739}

존재

태양계에서

태양계의 화학 원소 추정 존재비. 수소와 헬륨은 대폭발에서 유래하여 가장 흔하다. 다음 세 원소(리튬, 베릴륨, 붕소)는 대폭발과 항성에서 제대로 합성되지 않아 희귀하다. 나머지 항성에서 생성된 원소가 띄는 두 가지 일반적인 경향은 다음과 같다. (1) 원자 번호가 짝수 또는 홀수일 때 존재비의 교대, (2) 원소가 무거워질수록 존재비가 일반적으로 감소한다. 철은 초신성에서 헬륨 융합으로 생성될 수 있는 최소 에너지 핵종을 나타내기 때문에 특히 흔하다.^[43]

오도-하킨스 규칙은 수소를 제외하고 원자 번호가 짝수인 원소가 홀수인 원소보다 더 흔하다는 것을 주장한다. 이 규칙은 홀수 원자 번호를 가진 원소는 홀수 양성자를 하나 가지고 있으며 다른 양성자를 포획할 가능성이 더 높아서 원자 번호가 증가한다고 설명한다. 짝수 원자 번호를 가진 원소에서는 양성자가 짝을 이루어 각 쌍의 구성원이 서로의 스핀을 상쇄하여 안정성을 높인다.^[44][45][46] 모든 알칼리 금속은 원자 번호가 홀수이며, 태양계에서는 인접한 짝수 원자 번호 원소(비활성 기체와 알칼리 토금속)만큼 흔하지 않다. 무거운 알칼리 금속도 가벼운 금속보다 덜 풍부한데, 루비듐 이후의 알칼리 금속은 초신성에서만 합성되고 항성 핵합성에서는 합성되지 않기 때문이다. 리튬은 대폭발 핵합성과 항성 모두에서 제대로 합성되지 않아 나트륨과 칼륨보다 훨씬 비율이 적다. 대폭발은 안정적인 5개 또는 8개 핵자를 가진 핵이 없었기 때문에 미량의 리튬, 베릴륨, 붕소만을 생성할 수 있었고, 항성 핵합성은 3개의 헬륨 핵을 융합하여 탄소를 형성하고 그 세 원소를 건너뛰는 삼중 알파 과정을 통해서만 이 병목 현상을 통과할 수 있었다.^[43]

지구에서

중요한 리튬 광물인 스포듀민

지구는 태양을 형성한 것과 동일한 물질 구름에서 형성되었지만, 행성들은 태양계의 형성과 진화 과정에서 서로 다른 조성을 띠게 되었다. 차례로 지구의 자연사는 이 행성의 여러 부분이 원소의 농도를 다르게 갖게 했다. 지구의 질량은 약 5.98x10²⁴ kg이다. 지구는 대부분 철(32.1%), 산소(30.1%), 규소(15.1%), 마그네슘(13.9%), 황(2.9%), 니켈(1.8%), 칼슘(1.5%), 알루미늄(1.4%)으로 구성되어 있으며, 나머지 1.2%는 미량의 다른 원소로 이루어져 있다. 행성 분화로 인해, 핵 지역은 주로 철(88.8%), 소량의 니켈(5.8%), 황(4.5%), 그리고 1% 미만의 미량 원소로 구성되어 있다고 여겨진다.^[47]

알칼리 금속은 높은 반응성 때문에 자연에서 순수한 형태로 존재하지 않는다. 이들은 친석 원소이므로, 산소와 쉽게 결합하여 실리카와 강하게 결합하여 상대적으로 밀도가 낮은 광물을 형성하며 지구의 핵으로 가라앉지 않고 지표면에 가깝게 남아 있다. 칼륨, 루비듐, 세슘은 또한 큰 이온 반지름 때문에 비상용 원소이다.^[48]

나트륨과 칼륨은 지구에 매우 풍부하며, 둘 다 지구 지각에서 가장 흔한 10가지 원소에 속한다.^[49][50] 나트륨은 지구 지각의 약 2.6%를 무게로 구성하며, 전체적으로 여섯 번째로 풍부한 원소이자^[51] 가장 풍부한 알칼리 금속이다. 칼륨은 지구 지각의 약 1.5%를 구성하며 일곱 번째로 풍부한 원소이다.^[51] 나트륨은 많은 다양한 광물에서 발견되는데, 그 중 가장 흔한 것은 일반 소금(염화 나트륨)이며 이는 바닷물에 녹아 엄청난 양으로 존재한다. 다른 고체 퇴적물로는 암염, 각섬석, 빙정석, 칠레초석, 제올라이트 등이 있다.^[51] 이러한 고체 퇴적물 중 상당수는 고대 바다가 증발한 결과로 발생하며, 유타주의 그레이트솔트호와 사해와 같은 곳에서 여전히 발생하고 있다.^[10]:69 지구 지각에서 거의 동일한 양으로 존재함에도 불구하고, 나트륨은 바다에서 칼륨보다 훨씬 더 흔한데, 이는 칼륨의 더 큰 크기 때문에 그 염이 덜 용해되기 때문이며, 또한 칼륨은 토양의 규산염에 묶여 있고 식물 생명체가 나트륨보다 칼륨을 훨씬 더 쉽게 흡수하기 때문이다.^[10]:69

화학적 유사성에도 불구하고, 리튬은 작은 크기 때문에 일반적으로 나트륨이나 칼륨과 함께 존재하지 않는다.^[10]:69 상대적으로 낮은 반응성 때문에 바닷물에서 많은 양으로 발견될 수 있으며, 바닷물에 리튬 농도는 약 0.14~0.25 Ppm^[52][53] 또는 25 마이크로몰로 추정된다.^[54] 마그네슘과의 대각선 관계는 종종 리튬이 철마그네슘 광물에서 마그네슘을 대체하게 하는데, 여기서 리튬의 지각 농도는 약 18 Ppm이며, 갈륨과 나이오븀의 농도와 비슷하다. 상업적으로 가장 중요한 리튬 광물은 스포듀민으로, 전 세계적으로 대규모 광상으로 존재한다.^[10]:69

루비듐은 아연만큼 풍부하며 구리보다도 풍부하다. 루비듐은 백류석, 폴루사이트, 카날라이트, 진왈다이트, 레피돌라이트와 같은 광물에서 자연적으로 발견되지만,^[55] 이들 중 루비듐만 포함하고 다른 알칼리 금속을 포함하지 않는 경우는 없다.^[10]:70 세슘은 안티모니, 카드뮴, 주석, 텅스텐과 같이 일반적으로 알려진 일부 원소보다 풍부하지만, 루비듐보다는 훨씬 적게 풍부하다.^[56]

프랑슘의 유일한 자연 발생 동위 원소인 프랑슘-223은 악티늄-227의 알파 붕괴 붕괴 생성물이며, 우라늄 광물에서 미량으로 발견될 수 있다.^[57] 주어진 우라늄 샘플에는 10¹⁸개의 우라늄 원자당 프랑슘 원자가 단 하나만 있을 것으로 추정된다.^[58][59] 프랑슘은 극도로 짧은 반감기인 22분 때문에 언제든지 지구 지각에 최대 30 그램만 존재할 것으로 계산되었다.^[60][61]

특성

물리적 및 화학적

알칼리 금속의 물리적 및 화학적 특성은 약한 금속 결합을 만드는 ns¹ 전자 배열로 쉽게 설명될 수 있다. 따라서 모든 알칼리 금속은 무르고 밀도가 낮으며,^[5] 녹는점^[5]과 끓는점이 낮고,^[5] 승화열, 기화열, 해리열이 낮다.^[10]:74 이들은 모두 체심 입방 격자 결정 구조로 결정화되며,^[10]:73 바깥 s 전자가 매우 쉽게 들뜰 수 있기 때문에 특징적인 불꽃 반응색을 갖는다.^[10]:75 실제로 이러한 불꽃 반응색은 일반적인 이온을 가진 모든 염이 용해되기 때문에 이들을 식별하는 가장 일반적인 방법이다.^[10]:75 또한 ns¹ 구성은 알칼리 금속이 매우 큰 원자 반지름과 이온 반지름을 가지며, 매우 높은 열 전도성과 전기 전도성을 갖게 한다.^[10]:75 이들의 화학은 이 전자를 쉽게 이온화시키고 두 번째 이온화 에너지가 매우 높기 때문에, 가장 바깥 s-오비탈에 있는 단일 원자가 전자를 잃고 +1 산화수를 형성하는 경우가 대부분이다.^[10]:76 대부분의 화학적 특성은 족의 첫 다섯 원소에서만 관찰되었다. 프랑슘의 화학은 극심한 방사능 때문에 잘 확립되어 있지 않다.^[5] 따라서 여기에 제시된 프랑슘의 특성은 제한적이다. 프랑슘에 대해 알려진 적은 정보는 예상대로 세슘과 매우 유사한 행동을 보인다는 것을 나타낸다. 프랑슘의 물리적 특성은 벌크 원소가 관찰된 적이 없기 때문에 더욱 불확실하다. 따라서 문헌에서 찾을 수 있는 데이터는 확실히 추측적인 외삽이다.^[62]

알칼리 금속의 특성^[10]:75[63]

이름	리튬	나트륨	칼륨	루비듐	세슘	프랑슘
원자 번호	3	11	19	37	55	87
표준 원자량[note 7][65][66]	6.94(1)[note 8]	22.98976928(2)	39.0983(1)	85.4678(3)	132.9054519(2)	[223][note 9]
전자 배열	[He] 2s1	[Ne] 3s1	[Ar] 4s1	[Kr] 5s1	[Xe] 6s1	[Rn] 7s1
녹는점 (°C)	180.54	97.72	63.38	39.31	28.44	?
끓는점 (°C)	1342	883	759	688	671	?
밀도 (g·cm−3)	0.534	0.968	0.89	1.532	1.93	?
융해열 (kJ·mol−1)	3.00	2.60	2.321	2.19	2.09	?
기화열 (kJ·mol−1)	136	97.42	79.1	69	66.1	?
단원자 기체의 생성열 (kJ·mol−1)	162	108	89.6	82.0	78.2	?
비저항 at 25 °C (nΩ·cm)	94.7	48.8	73.9	131	208	?
원자 반지름 (pm)	152	186	227	248	265	?
육배위 M+ 이온의 이온 반지름 (pm)	76	102	138	152	167	?
첫 이온화 에너지 (kJ·mol−1)	520.2	495.8	418.8	403.0	375.7	392.8[67]
전자 친화도 (kJ·mol−1)	59.62	52.87	48.38	46.89	45.51	?
M2의 해리 엔탈피 (kJ·mol−1)	106.5	73.6	57.3	45.6	44.77	?
파울링 전기 음성도	0.98	0.93	0.82	0.82	0.79	?[note 10]
앨런 전기 음성도	0.91	0.87	0.73	0.71	0.66	0.67
표준 전극 전위 (E°(M+→M0); V)[70]	−3.04	−2.71	−2.93	−2.98	−3.03	?
불꽃 반응색 주요 방출/흡수 파장 (nm)	진홍색 670.8	노란색 589.2	보라색 766.5	적자색 780.0	파란색 455.5	?

알칼리 금속은 다른 어떤 족의 원소보다도 서로 더 유사하다.^[5] 실제로 유사성이 너무 커서 칼륨, 루비듐, 세슘을 서로 분리하는 것이 매우 어렵다. 이는 유사한 이온 반지름 때문이다. 리튬과 나트륨은 더 구별된다. 예를 들어, 주기율표에서 아래로 내려갈수록 알려진 모든 알칼리 금속은 원자 반지름이 증가하고,^[71] 전기 음성도가 감소하며,^[71] 반응성이 증가하며,^[5] 녹는점과 끓는점이 감소하고,^[71] 융해열과 기화열도 감소한다.^[10]:75 일반적으로 밀도는 주기율표에서 아래로 내려갈수록 증가하지만, 칼륨이 나트륨보다 밀도가 낮다는 예외가 있다.^[71] 알칼리 금속의 속성 중 매우 부드러운 경향을 보이지 않는 몇 안 되는 속성 중 하나는 산화·환원 전위이다. 리튬의 값은 다른 원소보다 더 음의 값을 보여 이상하다.^[10]:75 이는 Li⁺ 이온이 기체 상태에서 매우 높은 수화 에너지를 갖기 때문이다. 리튬 이온은 물의 구조를 상당히 파괴하여 엔트로피 변화를 증가시키지만, 이 높은 수화 에너지는 기체 상태에서 이온화하기 어려움에도 불구하고 리튬을 가장 양전위가 높은 알칼리 금속으로 나타내게 하기에 충분하다.^[72]:75

안정된 알칼리 금속은 모두 은색 금속이지만, 세슘은 옅은 금색을 띤다.^[73] 이는 색을 띠는 세 가지 금속 중 하나이다(다른 두 금속은 구리와 금).^[10]:74 또한 무거운 알칼리 토금속인 칼슘, 스트론튬, 바륨과 이가 란타넘족인 유로퓸과 이터븀은 옅은 노란색을 띠지만, 세슘만큼 색이 뚜렷하지는 않다.^[10]:74 이들의 광택은 산화로 인해 공기 중에서 빠르게 흐려진다.^[5]

칼륨은 실온에서 물과 격렬하게 반응한다.

세슘은 저온에서도 물과 폭발적으로 반응한다.

모든 알칼리 금속은 반응성이 높아 자연에서 원소 형태로 발견되지 않는다.^[20] 이 때문에 보통 광물유나 등유(파라핀유)에 보관한다.^[74] 할로젠과 격렬하게 반응하여 알칼리 금속 할라이드를 형성하는데, 이들은 플루오린화 리튬(LiF)을 제외하고 모두 물에 녹는 흰색의 이온성 결정 화합물이다.^[5] 알칼리 금속은 물과도 반응하여 강한 알칼리성 수산화물을 형성하므로 매우 주의해서 다루어야 한다. 무거운 알칼리 금속은 가벼운 금속보다 더 격렬하게 반응한다. 예를 들어, 물에 떨어뜨렸을 때 같은 몰수를 사용하면 세슘이 칼륨보다 더 큰 폭발을 일으킨다.^[5][75][56] 알칼리 금속은 주기율표의 각 주기에서 가장 낮은 첫 번째 이온화 에너지를 갖는다.^[62] 이는 낮은 유효 핵전하^[5]와 단 하나의 전자를 잃어 비활성 기체 구성을 얻을 수 있는 능력 때문이다.^[5] 알칼리 금속은 물뿐만 아니라 알코올, 페놀류와 같은 양성자 주개, 기체 상태의 암모니아, 알카인과도 반응하며, 후자는 그 반응성의 놀라운 정도를 보여준다. 환원제로서의 강력한 힘은 산화물이나 할로젠화물에서 다른 금속을 해방하는 데 매우 유용하다.^[10]:76

모든 알칼리 금속의 2차 이온화 에너지는 매우 높다.^[5][62] 이는 핵에 더 가까운 완전한 껍질에 있기 때문이다.^[5] 따라서 이들은 거의 항상 하나의 전자를 잃고 양이온을 형성한다.^[10]:28 알칼라이드는 예외인데, 이들은 알칼리 금속이 -1 산화 상태로 존재하는 불안정한 화합물이다. 이는 알칼라이드 발견 이전에는 알칼리 금속이 음이온을 형성할 수 없을 것으로 예상되었고 염에서 오직 양이온으로만 나타날 수 있다고 생각되었기 때문에 매우 특이하다. 알칼라이드 음이온은 채워진 s-부껍질을 가지고 있어 존재하기에 충분한 안정성을 제공한다. 리튬을 제외한 모든 안정적인 알칼리 금속은 알칼라이드를 형성할 수 있는 것으로 알려져 있으며,^[76][77][78] 알칼라이드는 특이한 화학량론과 낮은 이온화 전위 때문에 이론적으로 큰 관심을 받는다. 알칼라이드는 음이온으로 작용하는 갇힌 전자를 포함하는 염인 일렉트라이드와 화학적으로 유사하다.^[79] 알칼라이드의 특히 놀라운 예는 일반적인 수소화 나트륨 Na⁺H⁻와는 반대로 "역 수소화 나트륨" H⁺Na⁻ (두 이온 모두 복합화됨)이다.^[80] 이는 수소에서 나트륨으로 두 개의 전자가 이동하여 발생하는 높은 에너지로 인해 단독으로는 불안정하지만, 몇몇 유도체는 준안정하거나 안정할 것으로 예측된다.^[80][81]

수용액에서 알칼리 금속 이온은 [M(H₂O)_n]⁺ 형태의 아쿠아 이온을 형성하며, 여기서 n은 용매화수이다. 이들의 배위수와 형태는 이온 반지름에서 예상되는 것과 잘 일치한다. 수용액에서 금속 이온에 직접 부착된 물 분자는 제1배위권, 즉 제1 또는 1차 용매화 껍질에 속한다고 한다. 물 분자와 금속 이온 사이의 결합은 배위 결합이며, 산소 원자가 두 전자를 결합에 제공한다. 각 배위된 물 분자는 수소 결합에 의해 다른 물 분자에 부착될 수 있다. 후자는 제2배위권에 존재한다고 한다. 그러나 알칼리 금속 양이온의 경우, 양이온의 +1 전하가 1차 용매화 껍질의 물 분자를 충분히 편극시켜 2차 용매화 껍질의 물 분자와 강한 수소 결합을 형성하여 더 안정적인 실체를 만들기에 충분히 높지 않으므로 2차 배위권은 잘 정의되지 않는다.^[82][83]:25 Li⁺의 용매화수는 실험적으로 4로 결정되었으며, 사면체 [Li(H₂O)₄]⁺를 형성한다. 리튬 아쿠아 이온에 대해 3에서 6까지의 용매화수가 발견되었지만, 4보다 작은 용매화수는 접촉 이온쌍 형성의 결과일 수 있으며, 더 높은 용매화수는 분자 동역학 시뮬레이션이 팔면체 헥사아쿠아 이온의 존재를 나타낼 수 있지만 사면체의 면을 통해 [Li(H₂O)₄]⁺에 접근하는 물 분자의 관점에서 해석될 수 있다. 나트륨 이온의 1차 용매화권에도 아마 6개의 물 분자가 존재하여 팔면체 [Na(H₂O)₆]⁺ 이온을 형성할 것이다.^{[63][83]:126–127} 이전에는 더 무거운 알칼리 금속도 팔면체 헥사아쿠아 이온을 형성한다고 생각했지만, 이후 칼륨과 루비듐은 아마 정방형 반프리즘 구조를 갖는 [K(H₂O)₈]⁺와 [Rb(H₂O)₈]⁺ 이온을 형성하고, 세슘은 12배위 [Cs(H₂O)₁₂]⁺ 이온을 형성하는 것으로 밝혀졌다.^[84]

리튬

리튬의 화학적 성질은 작은 Li⁺ 양이온이 음이온을 분극시키고 화합물에 더 공유성을 부여하기 때문에 다른 원소와 몇 가지 차이를 보인다.^[5] 리튬과 마그네슘은 비슷한 원자 반지름으로 인해 대각선 관계를 가지므로,^[5] 일부 유사성을 보인다. 예를 들어, 리튬은 안정적인 질화물을 형성하는데 이는 모든 알칼리 토금속(마그네슘족) 사이에서 흔하지만 알칼리 금속 중에서는 독특한 성질이다.^[85] 또한, 각 그룹 중에서 리튬과 마그네슘만이 상당한 공유성을 가진 유기금속 화합물을 형성한다 (예: LiMe 및 MgMe₂).^[86]

플루오린화 리튬은 물에 잘 녹지 않는 유일한 알칼리 금속 할로젠화물이며,^[5] 수산화 리튬은 조해성이 없는 유일한 알칼리 금속 수산화물이다.^[5] 반대로, 과염소산 리튬과 분극될 수 없는 큰 음이온을 가진 다른 리튬 염들은 다른 알칼리 금속의 유사 화합물보다 훨씬 더 안정적인데, 이는 Li⁺가 높은 용매화 에너지를 가지기 때문으로 추정된다.^[10]:76 또한 이 효과로 대부분의 단순 리튬 염이 무수물 형태가 극도로 흡습성이 강하기 때문에 일반적으로 리튬은 수화물 형태로 발견된다는 것을 의미한다. 이는 염화 리튬 및 브로민화 리튬과 같은 염들이 제습기 및 에어컨에 사용될 수 있게 한다.^[10]:76

프랑슘

프랑슘은 높은 원자량으로 인해 전자가 상당한 광속으로 이동하여 상대론적 효과가 더욱 두드러지게 나타나는 몇 가지 차이를 보일 것으로 예측된다. 알칼리 금속의 전기 음성도와 이온화 에너지가 감소하는 경향과는 대조적으로, 프랑슘의 전기 음성도와 이온화 에너지는 7s 전자의 상대론적 안정화로 인해 세슘보다 높을 것으로 예측된다. 또한, 그 원자 반지름은 비정상적으로 낮을 것으로 예상된다. 따라서 예상과는 달리 세슘이 프랑슘이 아닌 알칼리 금속 중에서 가장 반응성이 높은 금속이다.^{[67][36]:1729[87]} 프랑슘의 알려진 모든 물리적 특성 또한 첫 번째 이온화 에너지, 전자 친화도, 음이온 편극률과 같이 리튬에서 세슘으로 가는 명확한 경향에서 벗어나지만, 프랑슘에 대한 알려진 데이터의 부족으로 인해 많은 출처에서 상대론적 효과가 리튬에서 세슘으로 가는 경향을 프랑슘에 적용할 수 없게 만든다는 점을 무시하고 외삽값을 제공한다.^[87] 상대론적 효과를 고려하여 예측된 프랑슘의 몇 안 되는 특성 중 일부는 전자 친화도(47.2 kJ/mol)^[88]와 Fr₂ 분자의 해리 엔탈피(42.1 kJ/mol)이다.^[89] CsFr 분자는 Cs⁺Fr⁻로 분극화되는데, 이는 프랑슘의 7s 부껍질이 세슘의 6s 부껍질보다 상대론적 효과에 훨씬 더 강하게 영향을 받는다는 것을 보여준다.^[87] 또한, 프랑슘 초과산화물(FrO₂)은 프랑슘의 6p 전자의 결합 기여로 인해 다른 알칼리 금속 초과산화물과는 달리 상당한 공유 결합 특성을 가질 것으로 예상된다.^[87]

원자핵

알칼리 금속의 원시 동위 원소

Z	알칼리 금속	안정	붕괴	불안정: 기울임꼴 홀-홀 동위 원소는 분홍색으로 표시
3	리튬	2	—	7 Li	6 Li
11	나트륨	1	—	23 Na
19	칼륨	2	1	39 K	41 K	40 K
37	루비듐	1	1	85 Rb	87 Rb
55	세슘	1	—	133 Cs
87	프랑슘	—	—	원시 동위 원소 없음 (223 Fr 는 방사성 핵종이다)
방사성: 40K, t1/2 12.5억 년; 87Rb, t1/2 490억 년; 223Fr, t1/2 22.0분.

모든 알칼리 금속은 홀수 원자 번호를 가지므로, 그들의 동위 원소는 홀-홀 (양성자 수와 중성자 수 모두 홀수)이거나 홀-짝 (양성자 수는 홀수, 중성자 수는 짝수)이어야 한다. 홀-홀 핵은 짝수 질량수를 가지는 반면, 홀-짝 핵은 홀수 질량수를 가진다. 홀-홀 원시 핵종은 드물다. 왜냐하면 대부분의 홀-홀 핵은 베타 붕괴에 대해 매우 불안정하기 때문이다. 붕괴 생성물은 짝-짝이며, 핵 짝짓기 효과로 인해 더 강하게 결합되기 때문이다.^[90]

홀-홀 핵의 매우 드문 특성 때문에, 알칼리 금속의 거의 모든 원시 동위 원소는 홀-짝이다 (예외는 가벼운 안정 동위 원소 리튬-6과 긴 수명을 가진 방사성 동위 원소 칼륨-40). 주어진 홀수 질량수에 대해서는 단 하나의 베타 안정 핵종만 있을 수 있다. 왜냐하면 짝-홀과 홀-짝 사이의 결합 에너지 차이는 짝-짝과 홀-홀 사이의 차이에 비해 무시할 만하기 때문에 같은 질량수를 가진 다른 핵종 (동중 원소)는 가장 가벼운 핵종으로 베타 붕괴를 자유롭게 일으킬 수 있다. 어떤 유형의 핵자라도 홀수가 불안정하다는 효과는 알칼리 금속과 같은 홀수 원소가 짝수 원소보다 안정 동위 원소가 더 적은 경향이 있다는 것이다. 단 하나의 안정 동위 원소만을 가진 26개의 단일 동위 원소 중, 하나를 제외하고는 모두 홀수 원자 번호를 가지며, 하나를 제외하고는 모두 짝수 중성자 수를 가진다. 베릴륨은 낮은 원자 번호 때문에 이 두 규칙에 대한 유일한 예외이다.^[90]

리튬과 세슘을 제외한 모든 알칼리 금속은 적어도 하나의 자연적으로 발생하는 방사성 동위 원소를 가진다. 나트륨-22와 나트륨-24는 우주선 생성으로 생성되는 미량 방사성 동위 원소이며,^[91] 칼륨-40과 루비듐-87은 매우 긴 반감기를 가지므로 자연적으로 존재하고,^[92] 프랑슘 동위 원소는 모두 방사성이다.^[92] 세슘도 20세기 초에는 방사성으로 여겨졌지만,^[93][94] 자연적으로 발생하는 방사성 동위 원소는 없다.^[92] (당시에는 프랑슘이 발견되지 않았다.) 칼륨의 자연적인 장수명 방사성 동위 원소인 칼륨-40은 자연 칼륨의 약 0.012%를 차지하므로,^[95] 자연 칼륨은 약하게 방사성을 띤다. 이 자연 방사능은 1925년에 원소 87 (세슘 다음 알칼리 금속)의 발견에 대한 오해의 소지가 있는 주장의 기초가 되었다.^[30][31] 자연 루비듐도 비슷하게 약간 방사성을 띠며, 27.83%가 장수명 방사성 동위 원소인 루비듐-87이다.^[10]:74

반감기가 30.17년인 세슘-137은 스트론튬-90과 함께 사용후핵연료의 방사능 대부분을 차지하는 두 가지 주요 중간 수명 핵분열 생성물 중 하나이다. 이는 체르노빌 원자력 발전소 사고 이후 남아있는 방사능의 대부분을 구성한다. 세슘-137은 고에너지 베타 붕괴를 겪으며 결국 안정적인 바륨-137이 된다. 이는 강한 감마선을 방출한다. 세슘-137은 중성자 포획률이 매우 낮아 이러한 방식으로 처분하기 어렵고, 붕괴되도록 두어야 한다.^[96] 세슘-137은 삼중수소의 사용과 유사하게 수문학 연구에서 추적자로 사용되었다.^[97] 소량의 세슘-134와 세슘-137은 거의 모든 핵무기 시험과 일부 원자력 사고, 특히 고이아니아 방사능 유출사고와 체르노빌 원자력 발전소 사고 중에 환경으로 방출되었다. 2005년 기준으로, 세슘-137은 체르노빌 원자력 발전소 주변의 격리 구역에서 방사능을 내뿜는 주요 원천이다.^[98] 알칼리 금속 중 하나로서의 화학적 특성 때문에, 염의 높은 수용성으로 인해 자연에서 쉽게 이동하고 확산되며, 필수 동족체인 나트륨과 칼륨으로 오인되어 신체에 흡수되므로 단명-중간 수명의 핵분열 생성물 중 가장 문제가 되는 것 중 하나이다.^[99]:114

주기적 성질

알칼리 금속은 다른 족의 원소보다 서로 더 유사하다.^[5] 예를 들어, 주기율표에서 아래로 내려갈수록 모든 알려진 알칼리 금속은 원자 반지름이 증가하고,^[71] 전기 음성도가 감소하며,^[71] 반응성이 증가하고,^[5] 녹는점과 끓는점^[71]뿐만 아니라 융해열과 증발열이 감소하는 경향을 보인다.^[10]:75 일반적으로 칼륨이 나트륨보다 밀도가 낮다는 예외를 제외하고는 주기율표에서 아래로 내려갈수록 밀도가 증가한다.^[71]

원자 및 이온 반지름

원자 전자에 대한 유효 핵전하

알칼리 금속의 원자 반지름은 족 아래로 내려갈수록 증가한다.^[71] 가림 효과 때문에 원자가 하나 이상의 전자 껍질을 가질 때, 각 전자는 핵으로부터의 전기적 인력뿐만 아니라 다른 전자로부터의 전기적 반발력을 느낀다.^[100] 알칼리 금속에서 가장 바깥쪽 전자는 +1의 순 전하만을 느끼는데, 이는 핵 전하 (이는 원자 번호와 같다)의 일부가 내부 전자에 의해 상쇄되기 때문이다. 알칼리 금속의 내부 전자의 수는 항상 핵 전하보다 하나 적다. 그러므로 알칼리 금속의 원자 반지름에 영향을 미치는 유일한 요인은 전자 껍질의 수이다. 이 수는 족 아래로 내려갈수록 증가하므로, 원자 반지름도 족 아래로 내려갈수록 증가해야 한다.^[71]

알칼리 금속의 이온 반지름은 원자 반지름보다 훨씬 작다. 이는 알칼리 금속의 가장 바깥쪽 전자가 내부 전자와는 다른 전자 껍질에 있고, 따라서 이 전자가 제거되면 결과적인 원자는 전자 껍질이 하나 줄어들어 더 작아지기 때문이다. 또한, 유효 핵전하가 증가하여 전자가 핵에 더 강하게 끌리므로 이온 반지름이 감소한다.^[5]

1차 이온화 에너지

이온화 에너지의 주기적 경향: 각 주기는 알칼리 금속에서 최소값으로 시작하여 비활성 기체에서 최대값으로 끝난다. 104번을 넘는 원소에는 예측값이 사용된다.

원소 또는 분자의 1차 이온화 에너지는 원소 또는 분자의 기체 원자 1 몰에서 가장 느슨하게 결합된 전자를 제거하여 전하 +1을 가진 기체 이온 1 몰을 형성하는 데 필요한 에너지이다. 1차 이온화 에너지에 영향을 미치는 요인은 핵 전하, 내부 전자에 의한 가림 효과의 양, 그리고 핵에서 가장 느슨하게 결합된 전자(항상 주족 원소의 바깥쪽 전자)까지의 거리이다. 처음 두 요인은 가장 느슨하게 결합된 전자가 느끼는 유효 핵전하를 변화시킨다. 알칼리 금속의 가장 바깥쪽 전자는 항상 동일한 유효 핵전하(+1)를 느끼므로, 1차 이온화 에너지에 영향을 미치는 유일한 요인은 가장 바깥쪽 전자에서 핵까지의 거리이다. 이 거리는 족 아래로 내려갈수록 증가하므로, 가장 바깥쪽 전자는 핵으로부터 더 적은 인력을 느끼고 따라서 1차 이온화 에너지는 감소한다.^[71] 이러한 경향은 프랑슘에서 상대론적 안정화 및 7s 궤도의 수축으로 인해 깨지며, 이로 인해 프랑슘의 원자가 전자가 비상대론적 계산에서 예상되는 것보다 핵에 더 가까워진다. 이로 인해 프랑슘의 가장 바깥쪽 전자는 핵으로부터 더 많은 인력을 느끼게 되어 첫 번째 이온화 에너지가 세슘보다 약간 증가한다.^[36]:1729

알칼리 금속의 2차 이온화 에너지는 첫 번째 이온화 에너지보다 훨씬 높다. 왜냐하면 두 번째로 가장 느슨하게 결합된 전자는 완전히 채워진 전자 껍질의 일부이므로 제거하기 어렵기 때문이다.^[5]

반응성

알칼리 금속의 반응성은 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 이는 알칼리 금속의 1차 이온화 에너지와 원자화 에너지 두 가지 요인 때문에 발생한다. 알칼리 금속의 첫 번째 이온화 에너지는 족 아래로 내려갈수록 감소하므로, 가장 바깥쪽 전자가 원자에서 제거되어 화학 반응에 참여하기가 더 쉬워져 족 아래로 갈수록 반응성이 증가한다. 원자화 에너지는 원소의 금속 결합의 강도를 측정하는데, 원자 반지름이 증가함에 따라 금속 결합의 길이가 길어져 무거운 알칼리 금속의 핵 인력으로부터 비편재화된 전자가 더 멀어지기 때문에 족 아래로 내려갈수록 감소한다. 원자화 에너지와 1차 이온화 에너지를 합하면 알칼리 금속과 다른 물질의 반응의 활성화 에너지와 밀접하게 관련된 양(같지는 않지만)을 얻는다. 이 양은 족 아래로 내려갈수록 감소하고 활성화 에너지도 감소하므로, 화학 반응은 더 빠르게 일어날 수 있고 족 아래로 내려갈수록 반응성이 증가한다.^[101]

전기 음성도

주족 원소의 2주기 원소에서 6주기 원소까지 폴링 전기 음성도의 주기적 변화.

전기 음성도는 원자 또는 작용기가 전자 (또는 전자 밀도)를 자신에게 끌어당기는 경향을 나타내는 화학적 성질이다.^[102] 염화 나트륨에서 나트륨과 염소 사이의 결합이 공유 결합이라면, 공유 전자쌍은 염소로 끌릴 것이다. 왜냐하면 염소의 바깥쪽 전자에 대한 유효 핵 전하가 +7이지만 나트륨에서는 +1에 불과하기 때문이다. 전자쌍은 염소 원자에 너무 가까이 끌려가 거의 염소 원자로 이동하는 것과 같다 (이온 결합). 그러나 나트륨 원자가 리튬 원자로 대체된다면, 리튬 원자가 더 작아서 전자쌍이 리튬으로부터 더 가까운 유효 핵 전하에 더 강하게 끌리므로 전자는 이전만큼 염소 원자에 가깝게 끌리지 않을 것이다. 따라서 더 큰 알칼리 금속 원자 (족 아래로 내려갈수록)는 결합 쌍이 자신들에게 덜 강하게 끌리므로 전기 음성도가 더 낮을 것이다. 앞서 언급했듯이 프랑슘은 예외일 것으로 예상된다.^[71]

리튬의 높은 전기 음성도 때문에, 일부 화합물은 더 많은 공유성 특성을 가진다. 예를 들어, 아이오딘화 리튬(LiI)은 대부분의 공유 화합물의 특성인 유기 용매에 용해된다.^[71] 플루오린화 리튬(LiF)은 물에 용해되지 않는 유일한 알칼리 금속 할라이드이며,^[5] 수산화 리튬(LiOH)은 조해성이 없는 유일한 알칼리 금속 수산화물이다.^[5]

녹는점과 끓는점

물질의 녹는점은 상태가 고체에서 액체로 변하는 지점이며, 물질 (액체 상태)의 끓는점은 액체의 증기압이 액체를 둘러싼 환경 압력과 같아지는 지점이며^[103][104] 모든 액체가 기체로 상태를 변화시키는 지점이다. 금속이 녹는점까지 가열되면 원자를 제자리에 고정시키는 금속 결합이 약해져 원자가 움직일 수 있게 되고, 금속의 끓는점에서는 금속 결합이 결국 완전히 끊어진다.^[71][105] 따라서 알칼리 금속의 녹는점과 끓는점이 감소하는 것은 알칼리 금속의 금속 결합 강도가 족 아래로 내려갈수록 약해진다는 것을 나타낸다.^[71] 이는 금속 원자들이 양이온과 비편재화된 전자 사이의 전자기적 인력에 의해 결합되어 있기 때문이다.^[71][105] 족 아래로 내려갈수록 원자의 크기가 증가함에 따라 (원자 반지름이 증가하기 때문에), 이온의 핵은 비편재화된 전자로부터 더 멀리 떨어지게 되고, 따라서 금속 결합은 약해져 금속이 더 쉽게 녹고 끓을 수 있게 되어 녹는점과 끓는점이 낮아진다.^[71] 증가된 핵 전하는 가림 효과 때문에 관련 요인이 아니다.^[71]

밀도

알칼리 금속은 모두 같은 결정 구조 (체심 입방 격자)를 가지므로^[10] 유일한 관련 요인은 특정 부피에 들어갈 수 있는 원자의 수와 원자 하나의 질량이다. 밀도는 단위 부피당 질량으로 정의되기 때문이다. 첫 번째 요인은 원자의 부피, 즉 원자 반지름에 따라 달라지며, 이는 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 따라서 알칼리 금속 원자의 부피는 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 알칼리 금속 원자의 질량도 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 따라서 알칼리 금속 밀도의 경향은 원자량과 원자 반지름에 따라 달라진다. 이 두 요인의 수치를 알면 알칼리 금속 밀도 간의 비율을 계산할 수 있다. 그 결과는 칼륨에서 예외를 제외하고 알칼리 금속의 밀도가 주기율표 아래로 내려갈수록 증가한다는 것이다. 그들 주기에서 모든 원소 중 가장 낮은 원자량과 가장 큰 원자 반지름을 가지므로, 알칼리 금속은 주기율표에서 가장 밀도가 낮은 금속이다.^[71] 리튬, 나트륨, 칼륨은 주기율표에서 물보다 밀도가 낮은 유일한 세 금속이다.^[5] 실제로 리튬은 실온에서 알려진 가장 밀도가 낮은 고체이다.^[10]:75

화합물

알칼리 금속은 일반적으로 만나는 모든 음이온과 완전한 계열의 화합물을 형성하며, 이는 족의 경향을 잘 보여준다. 이 화합물은 알칼리 금속이 수용체 종에게 전자를 잃고 단일 양이온을 형성하는 것으로 설명될 수 있다.^[10]:79 이 설명은 알칼리 할라이드에 대해 가장 정확하며, 양이온 및 음이온 전하가 증가하고 음이온이 더 커지고 더 편극화될수록 점점 덜 정확해진다. 예를 들어, 이온 결합은 NaCl, Na₂O, Na₂S, Na₃P, Na₃As, Na₃Sb, Na₃Bi, Na 계열을 따라 금속 결합으로 바뀐다.^[10]:81

수산화물

외부 동영상

알칼리 금속 – 알칼리 금속과 물의 20가지 반응, 왕립화학회 주관

3 파운드 (≈ 1.4 kg)의 나트륨과 물의 반응

모든 알칼리 금속은 차가운 물과 격렬하게 또는 폭발적으로 반응하여 강한 염기성 알칼리 금속 수산화물의 수용액을 생성하고 수소 가스를 방출한다.^[101] 이 반응은 족 아래로 내려갈수록 더 격렬해진다. 리튬은 거품과 함께 꾸준히 반응하지만, 나트륨과 칼륨은 불이 붙을 수 있고, 루비듐과 세슘은 물에 가라앉아 수소 가스를 너무 빠르게 발생시켜 물속에 충격파가 형성되어 유리 용기를 깨뜨릴 수 있다.^[5] 알칼리 금속이 물에 떨어지면 폭발이 발생하며, 이는 두 단계로 나뉜다. 금속은 먼저 물과 반응하여 물의 수소 결합을 끊고 수소 가스를 생성한다. 이는 반응성이 더 큰 무거운 알칼리 금속에서 더 빠르게 일어난다. 둘째, 반응의 첫 번째 부분에서 생성된 열은 종종 수소 가스에 불을 붙여 주변 공기에서 폭발적으로 연소하게 한다. 이 2차 수소 가스 폭발은 물그릇, 호수 또는 다른 수역 위에 보이는 불꽃을 생성하며, 금속과 물의 초기 반응 (주로 물속에서 일어나는 경향이 있다)에서 나오는 것이 아니다.^[75] 알칼리 금속 수산화물은 알려진 가장 염기성인 수산화물이다.^[10]:87

최근 연구에 따르면 물 속 알칼리 금속의 폭발적 거동은 수소 자체의 급격한 생성보다는 쿨롱 폭발에 유발된다고 한다.^[106] 모든 알칼리 금속은 물과의 반응 과정에서 녹는다. 물 분자는 액체 금속의 벗겨진 금속 표면을 이온화하여 양전하를 띤 금속 표면과 음전하를 띤 물 이온을 남긴다. 하전된 금속과 물 이온 사이의 인력은 표면적을 빠르게 증가시켜 이온화를 기하급수적으로 증가시킨다. 액체 금속 표면 내의 반발력이 표면 장력의 힘을 초과하면 격렬하게 폭발한다.^[106]

수산화물 자체는 알려진 가장 염기성인 수산화물이며, 산과 반응하여 염을 생성하고 알코올과 반응하여 올리고머 알콕사이드를 생성한다. 그들은 이산화 탄소와 쉽게 반응하여 탄산염 또는 탄산수소염을 형성하거나, 황화 수소와 반응하여 황화물 또는 황화수소염을 형성하며, 싸이올을 석유에서 분리하는 데 사용될 수 있다. 그들은 양쪽성 산화물과 반응한다. 예를 들어, 알루미늄, 아연, 주석, 납의 산화물은 알칼리 금속 수산화물과 반응하여 알루미늄산염, 아연산염, 주석산염, 납산염을 생성한다. 이산화 규소는 산성이므로 알칼리 금속 수산화물은 규산염 유리도 침식할 수 있다.^[10]:87

금속간 화합물

실온에서 액체 상태의 NaK 합금

알칼리 금속은 서로 및 주기율표의 2족에서 13족까지의 원소들과 다양한 화학량론의 많은 금속간 화합물을 형성한다.^[10]:81 예를 들어, 수은과의 나트륨 아말감에는 Na₅Hg₈과 Na₃Hg가 있다.^[107] 이들 중 일부는 이온적 특성을 가진다. 가장 전기 음성적인 금속인 금과의 합금을 예로 들면, NaAu와 KAu는 금속성을 띠지만, RbAu와 CsAu는 반도체이다.^[10]:81 NaK는 나트륨과 칼륨의 합금으로, 상온에서 액체 상태를 유지하여 매우 유용하지만, 물과 공기에 대한 극심한 반응성 때문에 주의해야 한다. 이 공융 혼합물은 -12.6 °C에서 녹는다.^[108] 세슘 41%, 나트륨 47%, 칼륨 12%의 합금은 알려진 모든 금속 또는 합금 중에서 가장 낮은 녹는점인 -78 °C를 가진다.^[22]

13족 원소와의 화합물

알칼리 금속과 더 무거운 13족 원소(알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨)의 금속간 화합물, 예를 들어 NaTl은 이전 원소와의 일반적인 합금과는 달리 전도성이 낮거나 반도체이다. 이는 관련된 알칼리 금속이 전자를 친텔 음이온에 뺏겼음을 의미한다.^[109] 그럼에도 불구하고, 14족 이상의 원소가 불연속적인 음이온 클러스터를 형성하는 경향이 있는 반면, 13족 원소의 경우 거대 이온 격자 사이에 알칼리 금속 양이온이 위치한 고분자 이온을 형성하는 경향이 있다. 예를 들어, NaTl은 공유 다이아몬드형 입방 결정 구조를 가진 고분자 음이온 (—Tl⁻—)_n으로 구성되며, 음이온 격자 사이에 Na⁺ 이온이 위치한다. 더 큰 알칼리 금속은 유사하게 음이온 격자에 들어갈 수 없으며, 더 무거운 13족 원소들이 음이온 클러스터를 형성하도록 유도하는 경향이 있다.^[110]

붕소는 13족 원소 중 유일한 비금속이라는 점에서 특별한 경우이다. 알칼리 금속 붕소화물은 붕소 함량이 높고, 델타다면체 구조를 포함하는 상당한 붕소-붕소 결합을 가지며,^[10]:147–8 고온에서 알칼리 금속이 매우 높은 증기압을 가지므로 열적으로 불안정하다. 이로 인해 알칼리 금속이 700°C 미만에서는 붕소와 반응하지 않으므로 직접 합성하는 데 문제가 있다. 따라서 과량의 알칼리 금속과 함께 밀봉된 용기에서 합성해야 한다. 또한, 이 족에서는 예외적으로 붕소와의 반응성이 족 아래로 내려갈수록 감소한다. 리튬은 700°C에서 완전히 반응하지만, 나트륨은 900°C, 칼륨은 1200°C가 되어서야 반응하며, 리튬은 즉각적인 반응을 보이지만 칼륨은 몇 시간이 걸린다. 루비듐과 세슘 붕소화물은 특성이 규명되지도 않았다. LiB₁₀, NaB₆, NaB₁₅, KB₆와 같은 다양한 상들이 알려져 있다.^[111][112] 고압에서는 리튬 붕소화물의 붕소-붕소 결합이 웨이드 규칙을 따르는 것에서 13족의 나머지 원소와 같은 친텔 음이온을 형성하는 것으로 바뀐다.^[113]

14족 원소와의 화합물

흑연 층간 물질 KC₈의 측면 (왼쪽) 및 상단 (오른쪽) 모습

리튬과 나트륨은 탄소와 반응하여 아세틸라이드인 Li₂C₂와 Na₂C₂를 형성하는데, 이는 금속을 아세틸렌과 반응시켜서도 얻을 수 있다. 칼륨, 루비듐, 세슘은 흑연과 반응한다. 이들의 원자는 육각형 흑연층 사이에 층간 삽입되어 MC₆₀ (짙은 회색, 거의 검은색), MC₄₈ (짙은 회색, 거의 검은색), MC₃₆ (파란색), MC₂₄ (강철색), MC₈ (청동색)의 흑연 층간 물질을 형성한다 (M = K, Rb, 또는 Cs). 이 화합물들은 순수한 흑연보다 200배 이상 전기 전도성이 높아, 알칼리 금속의 원자가 전자가 흑연층으로 이동했음을 시사한다 (예: M+
C−
8).^[63] KC₈를 가열하면 칼륨 원자가 제거되어 순차적으로 KC₂₄, KC₃₆, KC₄₈, 마지막으로 KC₆₀으로 전환된다. KC₈은 매우 강한 환원제이며, 자연발화성이고 물과 접촉하면 폭발한다.^[114][115] 더 큰 알칼리 금속 (K, Rb, Cs)은 처음에는 MC₈을 형성하는 반면, 더 작은 알칼리 금속은 처음에는 MC₆를 형성하며, 실제로 이를 형성하기 위해서는 금속을 약 500°C의 고온에서 흑연과 반응시켜야 한다.^[116] 이 외에도 알칼리 금속은 매우 강한 환원제이므로 버크민스터풀러렌을 환원시켜 고체 풀러라이드 M_nC₆₀을 생성할 수 있다. 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘은 n = 2, 3, 4, 또는 6인 풀러라이드를 형성할 수 있으며, 루비듐과 세슘은 추가로 n = 1을 이룰 수 있다.^[10]:285

알칼리 금속이 탄소족 원소의 더 무거운 원소들(규소, 저마늄, 주석, 납)과 반응할 때, M₄Si₄ (M = K, Rb, 또는 Cs)와 같이 케이지 모양의 구조를 가진 이온성 물질인 규소화물이 형성되는데, 이는 M⁺와 사면체 Si4−
4 이온을 포함한다.^[63] 저마늄화물 이온 Ge⁴⁻ 및 Ge2−
4, Ge4−
9, Ge2−
9, [(Ge₉)₂]⁶⁻와 같은 다른 클러스터 (친텔) 이온을 포함하는 알칼리 금속 저마늄화학은 대체로 해당 규소화물의 화학 특성과 유사하다.^[10]:393 알칼리 금속 주석화물은 대부분 이온성이며, 때로는 주석화물 이온 (Sn⁴⁻)을 포함하고,^[110] 때로는 테트라칼륨 노나주석화물 (K₄Sn₉)에 나타나는 Sn4−
9와 같은 더 복잡한 친텔 이온을 포함한다.^[117] 단원자 납화물 이온 (Pb⁴⁻)은 알려져 있지 않으며, 실제로 그 형성 자체가 에너지적으로 불리할 것으로 예측된다. 알칼리 금속 납화물은 Pb4−
9와 같은 복합 친텔 이온을 가진다. 이러한 알칼리 금속 저마늄화물, 주석화물 및 납화물은 액체 암모니아에서 저마늄, 주석, 납을 나트륨 금속으로 환원시켜 생성될 수 있다.^[10]:394

질화물과 프닉타이드

질화 리튬의 단위 격자 공-막대 모형.^[118] 크기를 기준으로 하면 사면체 구조가 예상되지만, 이는 기하학적으로 불가능하다. 따라서 질화 리튬은 이 독특한 결정 구조를 가진다.^[10]:76

가장 가벼운 알칼리 금속인 리튬은 표준 조건에서 질소와 반응하는 유일한 알칼리 금속이며, 그 질화물은 유일한 안정 알칼리 금속 질화물이다. 질소는 다이질소 분자(N₂)의 강한 삼중 결합을 끊는 데 많은 에너지가 필요하기 때문에 비활성 기체이다. 알칼리 금속 질화물 형성은 알칼리 금속의 이온화 에너지(M⁺ 이온 형성), N₂의 삼중 결합을 끊는 데 필요한 에너지, N³⁻ 이온 형성 등을 소비하며, 알칼리 금속 질화물 형성에서 방출되는 모든 에너지는 알칼리 금속 질화물의 격자에너지로부터 온다. 격자 에너지는 작고 전하가 높은 이온에서 최대화된다. 알칼리 금속은 전하가 높은 이온을 형성하지 않고 +1의 전하를 가진 이온만 형성하므로, 가장 작은 알칼리 금속인 리튬만이 질소와의 반응을 발열 반응으로 만들기에 충분한 격자 에너지를 방출하여 질화 리튬을 형성할 수 있다. 다른 알칼리 금속과 질소의 반응은 충분한 격자 에너지를 방출하지 못하여 흡열 반응이 될 것이므로, 표준 조건에서는 질화물을 형성하지 않는다.^[85] 질화 나트륨(Na₃N)과 질화 칼륨(K₃N)은 존재하지만 극도로 불안정하며, 구성 원소로 다시 분해되기 쉽고, 표준 조건에서 원소들을 서로 반응시켜 생성할 수 없다.^[119][120] 입체 장애는 루비듐 또는 세슘 질화물의 존재를 허용하지 않는다.^[10]:417 그러나 나트륨과 칼륨은 선형 N−
3 음이온을 포함하는 무색의 아자이드 염을 형성한다. 알칼리 금속 양이온의 큰 크기 때문에, 이들은 분해되기 전에 녹을 수 있을 만큼 열적으로 안정하다.^[10]:417

모든 알칼리 금속은 인과 비소와 쉽게 반응하여 M₃Pn (M은 알칼리 금속을, Pn은 프닉토겐으로 인, 비소, 안티모니, 비스무트를 나타냄) 공식을 가진 인화물과 비소화물을 형성한다. 이는 P³⁻ 및 As³⁻ 이온의 더 큰 크기 때문이며, 따라서 염이 형성되기 위해 더 적은 격자 에너지가 방출되어야 한다.^[63] 이들은 알칼리 금속의 유일한 인화물 및 비소화물이 아니다. 예를 들어, 칼륨은 K₃P, K₄P₃, K₅P₄, KP, K₄P₆, K₃P₇, K₃P₁₁, KP_10.3, KP₁₅와 같은 9가지 알려진 인화물을 가진다.^[121] 대부분의 금속이 비소화물을 형성하는 반면, 알칼리 및 알칼리 토금속만이 주로 이온성 비소화물을 형성한다. Na₃As의 구조는 나트륨 금속보다 짧은 328~330 pm의 비정상적으로 짧은 Na–Na 거리를 가지는 복잡한 구조를 가지며, 이는 이러한 전기 양성 금속에서도 결합이 단순히 이온적일 수 없음을 나타낸다.^[10] M₃As 공식을 따르지 않는 다른 알칼리 금속 비소화물도 알려져 있는데, 예를 들어 LiAs는 금속 광택과 전기 전도성을 가지며, 이는 일부 금속 결합의 존재를 나타낸다.^[10] 안티모니화물은 Sb³⁻ 이온이 강한 환원제이기 때문에 불안정하고 반응성이 높다. 이들을 산과 반응시키면 유독하고 불안정한 기체 스티빈(SbH₃)이 형성된다.^[122] 실제로 이들은 일부 금속성 특성을 가지며, 화학량론 MSb의 알칼리 금속 안티모니화물은 나선형 친텔 구조로 결합된 안티모니 원자를 포함한다.^[123] 비스무트화물은 완전히 이온성도 아니다. 이들은 부분적으로 금속적이고 부분적으로 이온적인 결합을 포함하는 금속간 화합물이다.^[124]

산화물과 칼코젠화물

 알칼리 금속 산화물 문서를 참고하십시오.

두 개의 정팔면체가 한 면으로 서로 연결되어 구성된 Rb
9O
2 클러스터

세 개의 정팔면체가 각각 다른 두 개의 팔면체와 한 면으로 연결되어 구성된 Cs
11O
3 클러스터. 세 개의 팔면체는 모두 하나의 공통 모서리를 가진다.

모든 알칼리 금속은 표준 조건에서 산소와 격렬하게 반응한다. 그들은 단순 산화물(O²⁻ 이온 포함), 과산화물(두 산소 원자 사이에 단일 결합이 있는 O2−
2 이온 포함), 초과산화물(O−
2 이온 포함) 등 다양한 유형의 산화물을 형성한다. 리튬은 공기 중에서 연소하여 산화 리튬을 형성하지만, 나트륨은 산소와 반응하여 산화 나트륨과 과산화 나트륨의 혼합물을 형성한다. 칼륨은 과산화 칼륨과 초과산화 칼륨의 혼합물을 형성하고, 루비듐과 세슘은 초과산화물만을 형성한다. 그들의 반응성은 족 아래로 내려갈수록 증가한다. 리튬, 나트륨, 칼륨은 단순히 공기 중에서 연소하지만, 루비듐과 세슘은 자연발화성이다 (공기 중에서 자연적으로 불이 붙는다).^[85]

더 작은 알칼리 금속은 작은 크기 때문에 더 큰 음이온(과산화물과 초과산화물)을 분극시키는 경향이 있다. 이는 더 복잡한 음이온의 전자를 구성 산소 원자 중 하나로 끌어당겨 산화물 이온과 산소 원자를 형성한다. 이로 인해 리튬은 실온에서 산소와 반응할 때 산화물만을 형성한다. 이 효과는 더 큰 나트륨과 칼륨에서 현저히 약해져 덜 안정한 과산화물을 형성할 수 있게 한다. 족의 맨 아래에 있는 루비듐과 세슘은 너무 커서 가장 불안정한 초과산화물조차 형성할 수 있다. 초과산화물은 형성될 때 가장 많은 에너지를 방출하므로, 더 복잡한 음이온이 분극되지 않는 더 큰 알칼리 금속에서는 초과산화물이 우선적으로 형성된다. 이 알칼리 금속의 산화물과 과산화물은 존재하지만, 표준 조건에서 금속이 산소와 직접 반응하여 형성되지는 않는다.^[85] 또한, Li⁺와 O²⁻ 이온의 작은 크기는 안정적인 이온 격자 구조를 형성하는 데 기여한다. 그러나 통제된 조건에서는 프랑슘을 제외한 모든 알칼리 금속이 산화물, 과산화물 및 초과산화물을 형성하는 것으로 알려져 있다. 알칼리 금속 과산화물과 초과산화물은 강력한 산화제이다. 과산화 나트륨과 초과산화 칼륨은 이산화 탄소와 반응하여 알칼리 금속 탄산염과 산소 가스를 형성하며, 이는 잠수함 공기 청정기에 사용될 수 있다. 호흡에 자연적으로 존재하는 수증기의 존재는 초과산화 칼륨에 의한 이산화 탄소 제거 효율을 더욱 높인다.^[63][125] 리튬을 제외한 모든 안정 알칼리 금속은 분말 무수 수산화물을 오존과 저온 반응시켜 붉은색 오존화물(MO₃)을 형성할 수 있다. 오존화물은 액체 암모니아를 사용하여 추출할 수 있다. 이들은 표준 조건에서 서서히 초과산화물과 산소로 분해되며, 물과 접촉하면 즉시 수산화물로 가수분해된다.^[10]:85 칼륨, 루비듐, 세슘은 또한 세스퀴산화물 M₂O₃를 형성하는데 이는 과산화 이초산화물, [(M+
)
4(O2−
2)(O−
2)
2]로 더 잘 간주될 수 있다.^[10]:85

루비듐과 세슘은 공식적인 산화 상태가 +1 미만인 금속과 함께 다양한 아산화물을 형성할 수 있다.^[10]:85 루비듐은 공기 중 산화될 때 Rb₆O와 Rb₉O₂ (구리색)를 형성할 수 있으며, 세슘은 오존화물 CsO₃와^[126][127] 여러 가지 밝은 색깔의 아산화물을 형성한다.^[128] 예를 들어 Cs₇O (청동색), Cs₄O (적자색), Cs₁₁O₃ (자색), Cs₃O (짙은 녹색),^[129] CsO, Cs₃O₂,^[130] 그리고 Cs₇O₂도 있다.^[131][132] 이 중 마지막은 진공 상태에서 가열하여 Cs₂O를 생성할 수 있다.^[56]

알칼리 금속은 더 무거운 칼코젠(황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄)과도 유사하게 반응할 수 있으며, 모든 알칼리 금속 칼코젠화물은 알려져 있다 (프랑슘 제외). 과량의 칼코젠과 반응하면 유사하게 하위 칼코젠화물을 생성할 수 있으며, 이 칼코젠 이온은 해당 칼코젠 원자의 사슬을 포함한다. 예를 들어, 나트륨은 황과 반응하여 황화물 (Na₂S) 및 Na₂S_x (x는 2에서 6까지) 공식을 가진 다양한 다황화물을 형성할 수 있으며, 이는 S2−
x 이온을 포함한다.^[63] Se²⁻ 및 Te²⁻ 이온의 염기성 때문에 알칼리 금속 셀레늄화물 및 텔루륨화물은 용액에서 알칼리성을 띠며, 셀레늄 및 텔루륨과 직접 반응하면 Se2−
x 및 Te2−
x 이온을 포함하는 폴리셀레늄화물 및 폴리텔루륨화물이 형성된다.^[133] 이들은 액체 암모니아 또는 공기가 없는 상태에서 직접 원소로부터 얻을 수 있으며, 무색의 수용성 화합물로 공기 중에서 빠르게 산화되어 셀레늄 또는 텔루륨으로 돌아간다.^[10]:766 알칼리 금속 폴로늄화물은 모두 Po²⁻ 이온을 포함하는 이온성 화합물이다. 이들은 화학적으로 매우 안정하며 약 300–400°C에서 원소를 직접 반응시켜 생성할 수 있다.^{[10]:766[134][135]}

할라이드, 수소화물, 유사할로젠화물

 이 부분의 본문은 알칼리 금속 할라이드입니다.

알칼리 금속은 주기율표에서 가장 전기 양성적인 원소에 속하며, 따라서 주기율표에서 가장 전기 음성적인 원소인 할로젠 (플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘, 아스타틴)과 이온 결합을 형성하는 경향이 있는데 둘 화합물 반응을 알칼리 금속 할라이드라고 부른다. 이 반응은 매우 격렬하며 때로는 폭발을 일으킬 수도 있다.^[10]:76 20가지의 안정적인 알칼리 금속 할라이드가 모두 알려져 있다. 불안정한 할라이드는 아스타틴과 프랑슘의 극심한 불안정성과 희귀성 때문에 나트륨 아스타타이드 외에는 알려져 있지 않다. 이 20가지 중 가장 잘 알려진 것은 분명히 염화 나트륨, 즉 일반적인 소금이다. 모든 안정 알칼리 금속 할라이드는 M이 알칼리 금속이고 X가 할로젠인 MX 공식을 가진다. 이들은 모두 녹는점이 높은 흰색 이온성 결정 고체이다.^[5][85] 모든 알칼리 금속 할라이드는 물에 용해되지만, 플루오린화 리튬(LiF)은 매우 높은 격자에너지 때문에 물에 불용성이다. 플루오린화 리튬의 높은 격자 엔탈피는 Li⁺와 F⁻ 이온의 작은 크기 때문에 그들 사이의 정전기적 상호작용이 강하기 때문이다.^[5] 플루오린화 마그네슘에서도 유사한 효과가 나타나며, 이는 리튬과 마그네슘 사이의 대각선 관계와 일치한다.^[10]:76

알칼리 금속은 수소와 유사하게 반응하여 이온성 알칼리 금속 수소화물을 형성하는데, 여기서 수소화물 음이온은 유사할로젠으로 작용한다. 이들은 종종 환원제로 사용되어 수소화물, 복합 금속 수소화물 또는 수소 가스를 생성한다.^[10]:83[63] 다른 유사할로젠화물도 알려져 있는데, 특히 사이안화물이 있다. 이들은 사이안화 리튬을 제외하고는 해당 할라이드와 등구조를 이루며, 이는 사이안화 이온이 자유롭게 회전할 수 있음을 나타낸다.^[10]:322 Na₃ClO, K₃BrO (노란색), Na₄Br₂O, Na₄I₂O, K₄Br₂O와 같은 삼원 알칼리 금속 할라이드 산화물도 알려져 있다.^[10]:83 폴리할라이드는 다소 불안정하지만, 루비듐과 세슘의 폴리할라이드는 이들 매우 큰 양이온의 약한 편극력에 크게 안정화된다.^[10]:835

배위 착물

18-크라운-6이 칼륨 이온에 배위하고 있다

칼륨 양이온(보라색)을 캡슐화한 2.2.2-크립탠드의 구조. X선 회절로 얻은 결정 상태.^[136]

알칼리 금속 양이온은 보통 단순 루이스 염기와 배위 화합물을 형성하지 않는다. 이는 전하가 +1로 낮고 크기가 비교적 크기 때문인데, 그래서 Li⁺ 이온이 가장 많은 착물을 형성하고 더 무거운 알칼리 금속 이온은 점점 더 적게 형성한다 (약한 착물의 경우 예외가 발생하기도 한다).^[10]:90 특히 리튬은 매우 풍부한 배위 화학 특성을 가지며 1부터 12까지의 배위수를 보이지만, 팔면체 육배위가 선호되는 모드이다.^[10]:90–1 수용액에서 알칼리 금속 이온은 팔면체 육수화물 착물 [M(H₂O)₆]⁺로 존재하며, 작은 크기 때문에 사면체 사수화물 착물 [Li(H₂O)₄]⁺를 형성하는 리튬 이온만 예외이다. 알칼리 금속은 이온들이 극성 물 분자에 대한 정전기적 인력에 의해 끌리기 때문에 이러한 착물을 형성한다. 이 때문에 알칼리 금속 양이온을 포함하는 무수염은 종종 건조제로 사용된다.^[63] 알칼리 금속은 또한 정전기적 인력 때문에 크라운 에터 (예: Li⁺에 대한 12-크라운-4, Na⁺에 대한 15-크라운-5, K⁺에 대한 18-크라운-6, Rb⁺에 대한 21-크라운-7) 및 크립탠드와 쉽게 착물을 형성한다.^[63]

암모니아 용액

알칼리 금속은 액체 암모니아 또는 지방족 아민이나 헥사메틸포스포르아마이드와 같은 다른 공여성 용매에 서서히 용해되어 용매화된 금속 양이온 M⁺과 용매화 전자 e⁻의 암모니아 용액을 형성하며, 이들은 반응하여 수소 가스와 알칼리 금속 아미드(MNH₂, M은 알칼리 금속을 나타냄)를 생성한다. 이는 1809년 험프리 데이비가 처음 관찰했고, 1864년 W. 웨엘이 재발견했다. 이 과정은 촉매에 의해 가속화될 수 있다. 유사한 용액은 무거운 이가 알칼리 토금속인 칼슘, 스트론튬, 바륨뿐만 아니라 이가 란타넘족인 유로퓸과 이터븀과의 반응으로 형성된다. 아미드 염은 불용성이 매우 높아 쉽게 용액에서 침전되어, 알칼리 금속의 강한 색을 띠는 암모니아 용액을 남긴다. 1907년 찰스 A. 크라우스는 이 색이 용매화 전자의 존재 때문이며, 이 전자들이 이 용액의 높은 전기 전도성에 기여한다고 밝혔다. 낮은 농도 (3 M 미만)에서는 용액이 짙은 파란색이며 수용액 염화 나트륨보다 10배의 전도성을 가진다. 높은 농도 (3 M 초과)에서는 용액이 구리색이며 수은과 같은 액체 금속의 전도성과 거의 같다.^{[10][63][137]} 알칼리 금속 아미드 염과 용매화 전자 외에도 이러한 암모니아 용액은 알칼리 금속 양이온 (M⁺), 중성 알칼리 금속 원자 (M), 이원자 알칼리 금속 분자 (M₂) 및 알칼리 금속 음이온 (M⁻)도 포함한다. 이들은 불안정하며 결국 열역학적으로 더 안정한 알칼리 금속 아미드와 수소 가스가 된다. 용매화 전자는 강력한 환원제이며 종종 화학 합성에 사용된다.^[63]

유기 금속

유기리튬

 이 부분의 본문은 유기리튬 시약입니다.

팔면체 n-부틸리튬 헥사머 (C₄H₉Li)₆의 구조.^[138] 이 응집체는 리튬과 부틸 사슬의 말단 탄소 사이의 비편재화된 공유 결합을 통해 유지된다.^[139] 어떤 유기리튬 화합물에도 직접적인 리튬-리튬 결합은 없다.^[123]:264

고체 페닐리튬은 이량체 Li₂(C₆H₅)₂ 하위 단위로 구성된다고 설명할 수 있는 단사정계 결정을 형성한다. 리튬 원자와 페닐 고리의 입소 탄소는 평면 사원자 고리를 형성한다. 페닐 그룹의 평면은 이 Li₂C₂ 고리의 평면에 수직이다. 이 페닐리튬 이량체와 인접한 이량체의 페닐 그룹의 π 전자 사이에는 추가적인 강한 분자간 결합이 발생하여 무한한 고분자 사다리 구조를 이룬다.^[140]

가장 작은 알칼리 금속인 리튬은 가장 다양하고 안정적인 유기 금속 화합물을 형성하며, 이들은 공유 결합되어 있다. 유기리튬 시약은 전기가 통하지 않는 휘발성 고체 또는 저온에서 녹는 액체이며, R이 유기 그룹인 (RLi)_x 구조를 가진 올리고머를 형성하는 경향이 있다. 리튬의 전기 양성적 특성으로 인해 결합의 대부분의 전하 밀도가 탄소 원자에 집중되어 효과적으로 탄소 음이온을 생성하므로, 유기리튬 화합물은 매우 강력한 염기이자 친핵체이다. 염기로 사용하기 위해 부틸리튬이 자주 사용되며 상업적으로도 이용 가능하다. 유기리튬 화합물의 예로는 메틸리튬 ((CH₃Li)_x)이 있는데, 이는 사량체 (x = 4, 사면체) 및 육량체 (x = 6, 팔면체) 형태로 존재한다.^[63][141] 유기리튬 화합물, 특히 n-부틸리튬은 유기 합성에서 유용한 시약이다. 이는 리튬과 마그네슘의 대각선 관계를 고려할 때 예상할 수 있는 일이며, 마그네슘은 그리냐르 반응에서 중요한 역할을 한다.^[10]:102 예를 들어, 알킬리튬과 아릴리튬은 금속 카르보닐과 반응하여 알데하이드와 케톤을 합성하는 데 사용될 수 있다. 니켈 테트라카르보닐과의 반응은 불안정한 아실 니켈 카르보닐 착물을 통해 진행되며, 이어서 친전자성 치환 반응을 거쳐 원하는 알데하이드 (H⁺를 친전자체로 사용) 또는 케톤 (알킬 할라이드를 사용) 생성물을 생성한다.^[10]:105

${\displaystyle {\ce {LiR\ +\ Ni(CO)4\ \longrightarrow Li^{+}[RCONi(CO)3]^{-}}}}$

${\displaystyle {\ce {Li^{+}[RCONi(CO)3]^{-}->[{\ce {H^{+}}}][{\ce {solvent}}]\ Li^{+}\ +\ RCHO\ +\ [(solvent)Ni(CO)3]}}}$

${\displaystyle {\ce {Li^{+}[RCONi(CO)3]^{-}->[{\ce {R^{'}Br}}][{\ce {solvent}}]\ Li^{+}\ +\ RR^{'}CO\ +\ [(solvent)Ni(CO)3]}}}$

알킬리튬과 아릴리튬은 N,N-다이치환 아미드와 반응하여 알데하이드와 케톤을 생성할 수도 있고, 일산화 탄소와 반응하여 대칭 케톤을 생성할 수도 있다. 이들은 열적으로 분해되어 β-수소를 제거하여 알켄과 수소화 리튬을 생성한다. 또 다른 경로는 에터와 강염기로 작용하는 알킬 및 아릴리튬의 반응이다.^[10]:105 비극성 용매에서 아릴리튬은 실제로 탄소 음이온으로 작용하여 이산화 탄소를 방향족 카복실산(ArCO₂H)으로, 아릴 케톤을 3차 카비놀(Ar'₂C(Ar)OH)로 전환시킨다. 마지막으로, 금속-할로젠 교환을 통해 다른 유기 금속 화합물을 합성하는 데 사용될 수 있다.^[10]:106

더 무거운 알칼리 금속

유기리튬 화합물과 달리, 더 무거운 알칼리 금속의 유기 금속 화합물은 주로 이온성이다. 유기나트륨 화합물의 화학적 응용은 부분적으로 상업적으로 이용 가능하고 더 편리한 반응성을 보이는 유기리튬 시약과의 경쟁으로 인해 제한적이다. 상업적으로 중요한 주요 유기나트륨 화합물은 사이클로펜타다이에닐 나트륨이다. 테트라페닐보레이트 나트륨도 고체 상태에서 나트륨이 아릴 그룹에 결합되어 있으므로 유기나트륨 화합물로 분류될 수 있다. 더 높은 알칼리 금속의 유기 금속 화합물은 유기나트륨 화합물보다 훨씬 더 반응성이 높으며 유용성이 제한적이다. 주목할 만한 시약은 슈로저 염기(Schlosser's base)로, n-부틸리튬과 tert-부톡사이드 칼륨의 혼합물이다. 이 시약은 프로펜과 반응하여 알릴칼륨(KCH₂CHCH₂) 화합물을 형성한다. cis-2-부텐과 trans-2-부텐은 알칼리 금속과 접촉할 때 평형을 이룬다. 리튬과 나트륨에서는 이성질화가 빠르지만, 더 무거운 알칼리 금속에서는 느리다. 더 무거운 알칼리 금속은 또한 입체 장애가 있는 형태를 선호한다.^[142] 유기칼륨 화합물의 몇몇 결정 구조가 보고되었으며, 이는 나트륨 화합물과 마찬가지로 고분자임을 입증한다.^[143] 유기나트륨, 유기칼륨, 유기루비듐, 유기세슘 화합물은 모두 대부분 이온성이며 비극성 용매에 불용성(또는 거의 불용성)이다.^[63]

나트륨과 칼륨의 알킬 및 아릴 유도체는 공기와 반응하는 경향이 있다. 이들은 에터의 분열을 일으켜 알콕사이드를 생성한다. 알킬리튬 화합물과 달리 알킬나트륨과 알킬칼륨은 할로젠화 알킬과 금속을 반응시켜 만들 수 없는데, 이는 부르츠 반응이 발생하기 때문이다.^[123]:265

RM + R'X → R–R' + MX

따라서 이들은 비활성 탄화수소 용매에서 알킬수은 화합물을 나트륨 또는 칼륨 금속과 반응시켜야 한다. 메틸나트륨은 메틸리튬처럼 사량체를 형성하지만, 메틸칼륨은 더 이온성이며 니켈 비소화물 구조를 가지며 불연속적인 메틸 음이온과 칼륨 양이온으로 이루어져 있다.^[123]:265

알칼리 금속과 그 수소화물은 산성 탄화수소, 예를 들어 사이클로펜타다이엔 및 말단 알카인과 반응하여 염을 생성한다. 액체 암모니아, 에터 또는 탄화수소 용매가 사용되며, 가장 일반적인 것은 테트라하이드로푸란이다. 이 화합물 중 가장 중요한 것은 사이클로펜타다이에닐 나트륨(NaC₅H₅)으로, 많은 전이 금속 사이클로펜타다이에닐 유도체의 중요한 전구체이다.^[123]:265 유사하게, 알칼리 금속은 테트라하이드로푸란에서 사이클로옥타테트라엔과 반응하여 알칼리 금속 사이클로옥타테트라엔화물을 생성한다. 예를 들어, 다이포타슘 사이클로옥타테트라엔화물(K₂C₈H₈)은 우라노센과 같은 많은 금속 사이클로옥타테트라에닐 유도체의 중요한 전구체이다.^[123]:266 크고 매우 약하게 편극하는 알칼리 금속 양이온은 짙은 녹색의 나프탈렌 나트륨(Na⁺[C₁₀H₈•]⁻)과 같이 크고 방향족이며 편극성이 높은 라디칼 음이온을 안정화할 수 있으며, 이는 강력한 환원제이다.^[123]:266

알칼리 금속의 대표적인 반응

산소와의 반응

산소와 반응할 때 알칼리 금속은 산화물, 과산화물, 초과산화물, 아산화물을 형성한다. 그러나 처음 세 가지가 더 흔하다. 아래 표^[144]는 산소와 반응하여 형성되는 화합물의 유형을 보여준다. 괄호 안의 화합물은 연소의 부차적인 생성물을 나타낸다.

알칼리 금속	산화물	과산화물	초과산화물
Li	Li2O	(Li2O2)
Na	(Na2O)	Na2O2
K			KO2
Rb			RbO2
Cs			CsO2

알칼리 금속 과산화물은 물에 불안정한 이온성 화합물이다. 과산화물 음이온은 양이온과 약하게 결합되어 있으며, 가수분해되어 더 강한 공유 결합을 형성한다.

Na₂O₂ + 2H₂O → 2NaOH + H₂O₂

다른 산소 화합물도 물에 불안정하다.

2KO₂ + 2H₂O → 2KOH + H₂O₂ + O₂^[145]

Li₂O + H₂O → 2LiOH

황과의 반응

황과 반응하면 황화물과 다황화물을 형성한다.^[146]

2Na + 1/8S₈ → Na₂S + 1/8S₈ → Na₂S₂...Na₂S₇

알칼리 금속 황화물은 본질적으로 약산과 강염기의 염이므로 염기성 용액을 형성한다.

S^2- + H₂O → HS⁻ + HO⁻

HS⁻ + H₂O → H₂S + HO⁻

질소와의 반응

리튬은 상온에서 질소와 직접 결합하는 유일한 금속이다.

3Li + 1/2N₂ → Li₃N

Li₃N은 물과 반응하여 암모니아를 방출할 수 있다.

Li₃N + 3H₂O → 3LiOH + NH₃

수소와의 반응

수소와 반응하면 염을 형성하는 수소화물을 생성하며, 이는 물에서 가수분해된다.

${\displaystyle {\ce {2 Na \ + H2 \ ->[{\ce {\Delta}}] \ 2 NaH}}}$

${\displaystyle {\ce {2NaH\ +\ 2H2O\ \longrightarrow \ 2NaOH\ +\ H2\uparrow }}}$

탄소와의 반응

리튬은 탄소와 직접 반응하여 다이리튬 아세틸라이드를 생성하는 유일한 금속이다. Na와 K는 아세틸렌과 반응하여 아세틸라이드를 생성할 수 있다.^[147]

${\displaystyle {\ce {2Li\ +\ 2C\ \longrightarrow \ Li2C2}}}$

${\displaystyle {\ce {2Na\ +\ 2C2H2\ ->[{\ce {150\ ^{o}C}}]\ 2NaC2H\ +\ H2}}}$

${\displaystyle {\ce {2Na\ +\ 2NaC2H\ ->[{\ce {220\ ^{o}C}}]\ 2Na2C2\ +\ H2}}}$

물과의 반응

물과 반응하면 수산화물 이온과 수소 가스를 생성한다. 이 반응은 격렬하고 매우 발열성이며, 생성된 수소는 공기 중에서 발화하거나 Rb 및 Cs의 경우 폭발할 수도 있다.^[144]

Na + H₂O → NaOH + 1/2H₂

다른 염과의 반응

알칼리 금속은 매우 좋은 환원제이다. 이들은 전기 양성도가 낮은 금속 양이온을 환원시킬 수 있다. 타이타늄은 산업적으로 400°C에서 Na로 사염화 티타늄을 환원시켜 생산된다 (판 아르켈-드 보어 공정).

TiCl₄ + 4Na → 4NaCl + Ti

유기 할로젠 화합물과의 반응

알칼리 금속은 할로젠 유도체와 반응하여 부르츠 반응을 통해 탄화수소를 생성한다.

2CH₃-Cl + 2Na → H₃C-CH₃ + 2NaCl

액체 암모니아 속 알칼리 금속

알칼리 금속은 액체 암모니아 또는 지방족 아민이나 헥사메틸포스포르아마이드와 같은 다른 전자 공여성 용매에 용해되어 파란색 용액을 생성한다. 이러한 용액에는 자유 전자가 포함되어 있다고 여겨진다.^[144]

Na + xNH₃ → Na⁺ + e(NH₃)_x⁻

용매화 전자의 존재로 인해 이러한 용액은 유기 합성에서 사용되는 매우 강력한 환원제이다.

액체 암모니아에 나트륨을 사용하여 환원 반응을 수행한다.

반응 1)은 버치 환원으로 알려져 있다. 이 용액으로 수행할 수 있는 다른 환원 반응은 다음과 같다.^[144]

S₈ + 2e⁻ → S₈^2-

Fe(CO)₅ + 2e⁻ → Fe(CO)₄^2- + CO

확장

경험적 (Na–Cs, Mg–Ra) 및 예측된 (Fr–Uhp, Ubn–Uhh) 알칼리 및 알칼리 토금속의 3주기 원소에서 9주기 원소까지의 원자 반지름으로, 옹스트롬 단위로 측정되었다.^{[36]:1730[148]}

프랑슘은 발견된 가장 무거운 알칼리 금속이지만 가상의 더 무거운 알칼리 금속의 물리적, 화학적 특성을 예측하는 이론적 연구가 진행되어 왔다. 첫 번째 8주기 원소인 미발견 원소 우누넨늄(원소 119)은 프랑슘 다음의 알칼리 금속이 될 것으로 예측되며 더 가벼운 동족체와 매우 유사하게 행동할 것으로 예상된다. 그러나 일부 특성에서는 더 가벼운 알칼리 금속과 다를 것으로도 예측된다.^{[36]:1729–1730} 그 화학적 특성은 세슘이나 프랑슘이 아닌 칼륨^[41] 또는 루비듐^{[36]:1729–1730}에 더 가까울 것으로 예측된다. 이는 상대론적 효과를 무시한 주기적 성질이 우누넨늄이 세슘과 프랑슘보다 훨씬 더 반응성이 높을 것이라고 예측하는 것을 고려할 때 이례적이다. 이러한 감소된 반응성은 우누넨늄의 원자가 전자의 상대론적 안정화로 인해 우누넨늄의 첫 번째 이온화 에너지가 증가하고 금속 반지름과 이온 반지름이 감소하기 때문이다.^[41] 이 효과는 프랑슘에서도 이미 관찰된다.^{[36]:1729–1730} 이는 우누넨늄이 화학적으로 알칼리 금속처럼 행동할 것이라는 가정에 기반하는데, 이는 가능성이 높지만 상대론적 효과 때문에 그렇지 않을 수도 있다.^[149] 8s 오비탈의 상대론적 안정화는 또한 우누넨늄의 전자 친화도를 세슘과 프랑슘보다 훨씬 높게 증가시킨다. 실제로 우누넨늄은 자신보다 가벼운 모든 알칼리 금속보다 더 높은 전자 친화도를 가질 것으로 예상된다. 상대론적 효과는 또한 우누넨늄의 편극률에 매우 큰 감소를 초래한다.^{[36]:1729–1730} 반면, 우누넨늄은 족 아래로 내려갈수록 녹는점이 감소하는 경향을 이어갈 것으로 예측되며, 녹는점은 0°C에서 30°C 사이일 것으로 예상된다.^[36]:1724

3주기 원소에서 8주기 원소까지 알칼리 금속의 경험적 (Na–Fr) 및 예측된 (Uue) 전자 친화도로, 전자 볼트 단위로 측정되었다.^{[36]:1730[148]}

우누넨늄의 원자가 전자의 안정화와 그에 따른 8s 오비탈의 수축은 원자 반지름을 240 pm로 낮춘다.^{[36]:1729–1730} 이는 루비듐(247 pm)의 원자 반지름과 매우 가깝다.^[5] 따라서 우누넨늄의 +1 산화수에서의 화학적 특성은 프랑슘의 화학적 특성보다 루비듐의 화학적 특성과 더 유사해야 한다. 반면, Uue⁺ 이온의 이온 반지름은 Rb⁺보다 클 것으로 예측되는데, 이는 7p 오비탈이 불안정해지고 따라서 더 낮은 껍질의 p-오비탈보다 크기 때문이다. 우누넨늄은 또한 +3^{[36]:1729–1730} 및 +5 산화수를 보일 수 있는데,^[150] 이는 다른 알칼리 금속에서는 볼 수 없는 것이다.^[10]:28 이는 7p_3/2 스피너의 불안정화와 팽창 때문인데, 이로 인해 바깥쪽 전자의 이온화 에너지가 예상보다 낮아진다.^{[10]:28[36]:1729–1730} 실제로 많은 우누넨늄 화합물은 결합에 7p_3/2 전자가 관여하기 때문에 큰 공유성을 가질 것으로 예상된다.^[87]

3주기 원소에서 9주기까지 알칼리 및 알칼리 토금속의 경험적 (Na~Fr, Mg~Ra) 및 예측된 (Uue~Uhp, Ubn~Uhh) 이온화 에너지로, 전자 볼트 단위로 측정되었다.^{[36]:1730[148]}

우누넨늄 이후의 알칼리 금속의 특성을 예측하는 연구는 아직 많이 이루어지지 않았다. 비록 주기율표의 단순한 외삽법(쌓음 원리에 따라)은 우누넨늄 아래에 169번 원소, 언헥세늄을 놓겠지만, 디락-포크 계산은 우누넨늄 다음으로 알칼리 금속과 유사한 특성을 가진 원소가 165번 원소, 언헥스펜튬일 수 있다고 예측한다. 이 원소는 [Og] 5g¹⁸ 6f¹⁴ 7d¹⁰ 8s² 8p_1/2² 9s¹의 전자 배열을 가질 것으로 예측된다.^{[36]:1729–1730[148]} 이 원소는 알칼리 금속과 11족 원소의 중간적인 특성을 가질 것이며, 물리적 및 원자적 특성은 전자에 더 가깝지만 화학적 특성은 후자에 더 가까울 수 있다. 추가 계산에 따르면 언헥스펜튬은 세슘 이후의 이온화 에너지 증가 경향을 이어가며, 나트륨과 비슷한 이온화 에너지를 가질 것으로 예상되며, 세슘 이후의 원자 반지름 감소 경향도 이어가 칼륨과 비슷한 원자 반지름을 가질 것으로 예측된다.^{[36]:1729–1730} 그러나 언헥스펜튬의 7d 전자는 9s 전자와 함께 화학 반응에 참여할 수 있으며, 이는 +1을 초과하는 산화수를 허용하여 언헥스펜튬의 전이 금속적 행동을 가능하게 할 수 있다.^{[36]:1732–1733[151]} 알칼리 금속과 알칼리 토금속이 모두 s-구역 원소이므로, 우누넨늄과 언헥스펜튬에 대한 이러한 경향 및 특성 예측은 해당 알칼리 토금속인 운비닐륨(Ubn)과 언헥스헥슘(Uhh)에도 매우 유사하게 적용된다.^{[36]:1729–1733} 173번 원소인 언셉트트륨은 우누넨늄의 더 좋은 더 무거운 동족체일 수 있다. [Usb] 6g¹의 예측 전자 배열을 가지며, 닫힌 p-껍질 위에 에너지가 쉽게 제거되는 하나의 전자를 갖는 알칼리 금속과 유사한 상황으로 돌아가며, 세슘보다 훨씬 더 반응성이 높을 것으로 예상된다.^[152][153]

2019년 현재 언셉트트륨 이후의 알칼리 금속의 예상 특성은 아직 탐구되지 않았으며, 존재 여부도 불확실하다.^[148] 주기율표의 8주기 이상에서는 상대론적 및 껍질 구조 효과가 너무 강해져 더 가벼운 동족체로부터의 외삽법이 완전히 부정확해진다. 또한, 상대론적 및 껍질 구조 효과(s-오비탈을 안정화하고 더 높은 껍질의 d, f, g-오비탈을 불안정화 및 팽창시킴)는 상반되는 효과를 가져와, 원자 번호가 매우 높은 원소의 특성에 대한 상대론적 및 비상대론적 계산 사이에 훨씬 더 큰 차이를 초래한다.^{[36]:1732–1733} 우누넨늄, 언헥스펜튬, 언셉트트륨의 화학적 특성에 대한 관심은 이들이 안정성의 섬 예상 위치(원소 122(³⁰⁶Ubb) 및 164(⁴⁸²Uhq) 중심)에 가깝게 위치하기 때문이다.^{[154][155][156]}

유사 알칼리 금속

다른 많은 물은 단일 양이온을 형성하는 경향에서 알칼리 금속과 유사하다. 유사할로젠과 유사하게, 이들은 때때로 "유사 알칼리 금속"이라고 불린다. 이들 물질에는 일부 원소와 더 많은 다원자 이온이 포함된다. 다원자 이온은 특히 큰 크기와 약한 편극력에서 알칼리 금속과 유사하다.^[157]

수소

중성 원자당 전자가 하나인 원소 수소는 일반적으로 전자 배열 때문에 주기율표 1족의 맨 위에 배치된다. 그러나 수소는 일반적으로 알칼리 금속으로 간주되지 않는다.^[158] 매우 높은 압력에서만 존재하는 금속성 수소는 화학적 특성이 아닌 전기적 및 자기적 특성으로 알려져 있다.^[159] 일반적인 조건에서 순수한 수소는 분자당 두 개의 원자로 구성된 이원자 기체(H₂)로 존재한다.^[160] 그러나 알칼리 금속은 고온에서 기체 상태일 때만 다이리튬(Li₂)과 같은 이원자 분자를 형성한다.^[161]

수소는 알칼리 금속처럼 원자가 전자를 하나 가지고^[123] 할로젠과 쉽게 반응하지만,^[123] 알칼리 금속 양이온에 비해 양성자 H⁺의 작은 크기 때문에 유사성은 대부분 거기서 끝난다.^[123] 수소를 리튬 위에 배치하는 것은 주로 전자 배열 때문이다.^[158] 때로는 플루오린 위에 배치되기도 하는데, 이는 유사한 화학적 특성 때문이지만, 그 유사성도 역시 절대적이지는 않다.^[162]

수소의 첫 번째 이온화 에너지 (1312.0 킬로줄/몰)는 알칼리 금속보다 훨씬 높다.^[163][164] 수소 원자의 가장 바깥쪽 껍질을 채우는 데 필요한 전자가 단 하나이므로, 수소는 종종 할로젠처럼 행동하여 음전하를 띤 수소화물 이온을 형성하며, 이 점 때문에 가끔 할로젠으로 간주되기도 한다. (알칼리 금속도 알칼리화물이라는 음이온을 형성할 수 있지만, 이는 불안정하여 실험실의 흥미거리 정도에 불과하다.)^[80][81] 이러한 배치에 대한 반론은 수소로부터 수소화물을 형성하는 것이 발열 반응인 할로젠으로부터 할라이드를 형성하는 것과 달리 흡열 반응이라는 것이다. 또한 H⁻ 음이온의 반지름은 할로젠족 아래로 내려갈수록 크기가 증가하는 경향과 일치하지 않는다. 실제로 H⁻는 하나의 양성자가 두 전자를 쉽게 제어할 수 없기 때문에 매우 확산되어 있다.^[123]:15–6 한동안 액체 수소가 금속성 특성을 보일 것으로 예상되었지만,^[162] 이것이 사실이 아님이 밝혀진 반면 목성과 토성의 핵에서 발견되는 것과 같은 극히 높은 압력 하에서는 수소가 금속성으로 변하여 알칼리 금속처럼 행동한다. 이 상에서 수소는 금속성 수소로 알려져 있다.^[165] 3000 K에서 액체 금속성 수소의 비저항은 2000 K에서 액체 루비듐 및 세슘이 비금속-금속 전이를 겪을 때의 비저항과 거의 같다.^[166]

수소의 1s¹ 전자 배열은 알칼리 금속 (ns¹)과 유사하지만, 1p 하위 껍질이 없기 때문에 독특하다. 따라서 전자를 잃어 하이드론 H⁺를 형성하거나, 전자를 얻어 수소화물 이온 H⁻를 형성할 수 있다.^[10]:43 전자의 경우 겉보기에는 알칼리 금속과 유사하며, 후자의 경우 할로젠과 유사하지만, 1p 하위 껍질의 부족으로 인한 차이가 중요하여 어느 그룹도 수소의 특성에 잘 맞지 않는다.^[10]:43 14족도 이온화 에너지 및 전자 친화도와 같은 열역학적 특성 측면에서 잘 맞지만, 수소는 사가성을 가질 수 없다. 따라서 세 가지 배치 모두 완전히 만족스럽지는 않지만, 전자 배열과 하이드론이 모든 단원자 수소 종 중에서 단연 가장 중요하며 산-염기 화학의 기초라는 사실 때문에 1족이 가장 일반적인 배치이다 (선택해야 한다면).^[162] 수소의 특이한 전자 배열과 작은 크기에서 비롯된 수소의 비정통적인 특성의 예로, 수소 이온은 매우 작아서 (반지름 약 150 펨토미터로, 대부분의 다른 원자와 이온의 50–220 pm 크기와 비교) 다른 원자나 분자와의 결합 외에는 응축된 시스템에서는 존재하지 않는다. 실제로 화학 물질 간의 양성자 전달은 산-염기 화학의 기초이다.^[10]:43 또한 수소만이 수소 결합을 형성할 수 있는데, 이는 전하 이동, 정전기, 전자 상관 기여 현상의 효과이다.^[162] 유사한 리튬 결합도 알려져 있지만, 이들은 주로 정전기적이다.^[162] 그럼에도 불구하고 수소는 일부 분자 결정에서 알칼리 금속과 동일한 구조적 역할을 할 수 있으며, 가장 가벼운 알칼리 금속(특히 리튬)과 밀접한 관계를 가진다.^[167]

암모늄 및 유도체

알칼리 금속과 유사하게, 암모니아는 염산과 반응하여 염인 염화 암모늄을 형성한다.

암모늄 이온 (NH+
4)은 무거운 알칼리 금속, 특히 칼륨과 루비듐 사이의 알칼리 금속 중간체로서 매우 유사한 특성을 가진다.^{[157][168][169]} 따라서 종종 가까운 친척으로 간주된다.^{[170][171][172]} 예를 들어, 대부분의 알칼리 금속 염은 물에 용해되며 암모늄염도 이러한 특성을 공유한다.^[173] 암모늄은 매우 높은 압력(100 기가파스칼 근처에서 비금속에서 금속으로의 전이가 일어나는 일반적인 압력보다는 낮지만)에서 금속(비편재화된 전자 바다 속의 NH+
4 이온)으로 안정적으로 행동할 것으로 예상되며, 거대 얼음 행성인 천왕성과 해왕성 내부에 존재하여 내부 자기장에 상당한 영향을 미 미칠 수 있다.^[171][172] 암모니아와 이수소 분자의 혼합물에서 금속성 암모늄으로의 전이는 25 기가파스칼 미만의 압력에서 일어날 수 있다고 추정된다.^[171] 표준 조건에서 암모늄은 수은과 금속성 아말감을 형성할 수 있다.^[174]

다른 "유사 알칼리 금속"에는 암모늄 양이온의 일부 수소 원자가 알킬 또는 아릴 그룹으로 대체된 알킬암모늄 양이온이 포함된다. 특히, 4차 암모늄 양이온(NR+
4)은 영구적으로 전하를 띠므로 매우 유용하며, 매우 크고 쉽게 편극될 수 있는 음이온, 예를 들어 HI−
2를 안정화하기 위해 값비싼 Cs⁺ 대신 자주 사용된다.^[10]:812–9 테트라알킬암모늄 수산화물은 알칼리 금속 수산화물처럼 매우 강한 염기이며, 대기 중 이산화 탄소와 반응하여 탄산염을 형성한다.^[123]:256 또한, 질소 원자는 인, 비소, 안티모니 원자(더 무거운 비금속 프닉토겐)로 대체되어 포스포늄(PH+
4) 또는 알소늄(AsH+
4) 양이온을 생성할 수 있으며, 이들도 유사하게 치환될 수 있다. 스티보늄(SbH+
4) 자체는 알려져 있지 않지만, 일부 유기 유도체는 특성이 규명되어 있다.^[157]

코발토센 및 유도체

코발토센, Co(C₅H₅)₂는 페로센의 코발트 유사체인 메탈로센이다. 이것은 짙은 보라색 고체이다. 코발토센은 일반적으로 유기전이 금속 착물, 예를 들어 매우 안정한 상대인 페로센에서 발견되는 것보다 하나 더 많은 19개의 원자가 전자를 가지며, 이는 18 전자 규칙에 따른다. 이 추가 전자는 Co-C 결합에 대해 반결합하는 궤도를 차지한다. 결과적으로 Co(C₅H₅)₂의 많은 화학 반응은 이 "추가" 전자를 잃고 매우 안정한 18전자 양이온인 코발토세늄을 생성하는 경향을 특징으로 한다. 많은 코발토세늄 염은 세슘 염과 함께 공침하며, 수산화 코발토세늄은 대기 중 이산화 탄소를 흡수하여 탄산 코발토세늄을 형성하는 강염기이다.^[123]:256 알칼리 금속처럼 코발토센은 강력한 환원제이며, 데카메틸코발토센은 10개의 메틸 그룹의 유도 효과가 결합되어 더욱 강력하다.^[175] 코발트는 더 무거운 동족체인 로듐으로 대체되어 더욱 강력한 환원제인 로도센을 생성할 수 있다.^[176] 이리도센 (이리듐 포함)은 아마도 훨씬 더 강력할 것이지만, 불안정성 때문에 잘 연구되지 않았다.^[177]

탈륨

유리 앰풀에 담긴 매우 순수한 탈륨 조각, 아르곤 가스 아래 보관됨

탈륨은 주기율표 13족에서 가장 무거운 안정 원소이다. 주기율표 하단에서는 6s 오비탈의 상대론적 안정화와 원자의 크기가 증가함에 따라 결합 에너지가 감소하기 때문에 비활성 전자쌍 효과가 상당히 강해서, 6s 전자의 높은 이온화 에너지에 비해 두 개의 결합을 더 형성하여 방출되는 에너지의 양이 충분하지 않다.^[10]:226–7 모든 알려진 알칼리 금속이 보이는 +1 산화수를 보이며,^[10]:28 탈륨이 +1 산화수를 가진 화합물은 Tl⁺ (164 pm), K⁺ (152 pm), Ag⁺ (129 pm) 이온의 유사한 이온 반지름 때문에 해당 칼륨 또는 은 화합물과 화학량론적으로 매우 유사하다.^[178][179] 탈륨은 발견 직후 몇 년 동안 유럽 대륙(영국 제외)에서는 때때로 알칼리 금속으로 간주되었으며,^[179]:126 드미트리 멘델레예프의 1869년 주기율표와 율리우스 로타르 마이어의 1868년 주기율표에서는 세슘 바로 뒤의 여섯 번째 알칼리 금속으로 배치되었다.^[21] 멘델레예프의 1871년 주기율표와 마이어의 1870년 주기율표는 탈륨을 현재의 붕소족 위치에 놓고 세슘 아래의 공간을 비워두었다.^[21] 그러나 탈륨은 +3의 산화수도 나타내는데,^[10]:28 이는 알려진 어떤 알칼리 금속도 나타내지 않는다^[10]:28 (다만 미발견된 7번째 알칼리 금속인 우누넨늄은 +3 산화수를 보일 것으로 예측된다).^{[36]:1729–1730} 6번째 알칼리 금속은 현재 프랑슘으로 간주된다.^[180] Tl⁺는 비활성 전자쌍 효과에 안정화되지만, 이 비활성 6s 전자쌍은 여전히 화학적으로 참여할 수 있으므로, 이러한 전자들은 수용액에서 입체화학적으로 활성이다. 또한, 탈륨 할라이드(TlF 제외)는 물에 상당히 불용성이며, 아이오딘화 탈륨은 탈륨에 입체화학적으로 활성인 비활성 전자쌍이 존재하기 때문에 특이한 구조를 가진다.^[181]

구리, 은, 금

구리

금

11족 금속(또는 주화 금속)인 구리, 은, 금은 일반적으로 불완전한 d-껍질을 가진 이온을 형성할 수 있다는 점에서 전이 금속으로 분류된다. 물리적으로는 상대적으로 낮은 녹는점과 높은 전기 음성도를 가지며, 이는 전이후 금속과 관련이 있다. "Cu, Ag, Au의 채워진 d 하위 껍질과 자유 s 전자는 높은 전기 및 열 전도성에 기여한다. 11족 왼쪽의 전이 금속은 s 전자와 부분적으로 채워진 d 하위 껍질 사이의 상호작용으로 인해 전자 이동성을 낮춘다."^[182] 화학적으로 11족 금속은 +1 원자가 상태에서 주족 금속처럼 행동하며, 따라서 알칼리 금속과 어느 정도 관련이 있다. 이는 이들이 이전에 알칼리 금속의 "그룹 IA"와 유사하게 "그룹 IB"로 분류되었던 한 가지 이유이다. 이들은 때때로 전이후 금속으로 분류된다.^[183] 그들의 스펙트럼은 알칼리 금속과 유사하다.^[29] 그들의 단일 양이온은 상자성을 띠며 알칼리 금속처럼 염에 색을 기여하지 않는다.^[184]

멘델레예프의 1871년 주기율표에서 구리, 은, 금은 두 번 나열되어 있는데, 한 번은 8족(철 삼인조 및 백금족 금속과 함께) 아래, 다른 한 번은 1B족 아래에 있다. 1B족은 잠정적인 것으로 간주되어 괄호 안에 표시되었다. 멘델레예프의 족 배정 주요 기준은 원소의 최대 산화수였는데, 이 기준에 따르면 11족 원소는 당시 알려진 구리(II) 및 금(III) 화합물이 존재했기 때문에 1B족으로 분류될 수 없었다.^[29] 그러나 1B족을 없애면 1족은 A-B 분기가 없는 유일한 주족(8족은 전이족으로 분류되었다)이 될 것이다.^[29] 곧이어 대부분의 화학자들은 이러한 원소를 1B족으로 분류하고 8족에서 제거하여 결과적인 대칭을 유지하기로 선택했다. 이것이 현대의 중간-긴 18열 주기율표가 등장하여 알칼리 금속과 11족 금속을 분리하기 전까지는 지배적인 분류였다.^[29]

주화 금속은 전통적으로 알칼리 금속 그룹의 하위 그룹으로 간주되었다. 이는 알칼리 금속의 특징적인 s¹ 전자 배열 (1족: p⁶s¹; 11족: d¹⁰s¹)을 공유하기 때문이다. 그러나 유사점은 주로 두 그룹의 +1 화합물의 화학량론에 국한되며 화학적 특성에는 해당되지 않는다.^[10]:1177 이는 채워진 d 하위 껍질이 채워진 p 하위 껍질보다 가장 바깥쪽 s 전자에 훨씬 약한 가림 효과를 제공하여 주화 금속이 해당 알칼리 금속보다 훨씬 높은 첫 번째 이온화 에너지와 작은 이온 반지름을 가지기 때문이다.^[10]:1177 또한, 이들은 더 높은 녹는점, 굳기, 밀도를 가지며, 액체 암모니아에서의 반응성과 용해도가 낮고, 화합물에서 더 많은 공유 결합 특성을 가진다.^[10]:1177 마지막으로, 알칼리 금속은 전기화학 계열의 최상단에 있는 반면, 주화 금속은 거의 최하단에 있다.^[10]:1177 주화 금속의 채워진 d 껍질은 알칼리 금속의 채워진 p 껍질보다 훨씬 쉽게 파괴되므로, 두 번째 및 세 번째 이온화 에너지가 낮아 +1보다 높은 산화 상태와 더 풍부한 배위 화학을 가능하게 하여 11족 금속에 명확한 전이 금속 특성을 부여한다.^[10]:1177 특히 주목할 만한 것은 금이 루비듐 및 세슘과 이온성 화합물을 형성할 때, 금화물 이온 (Au⁻)을 형성하며, 이는 액체 암모니아 용액에 용매화된 형태로도 존재한다는 점이다. 여기서 금은 5d¹⁰6s¹ 배열이 수은의 준닫힌 껍질 5d¹⁰6s² 배열보다 전자가 하나 부족하므로 유사할로젠으로 행동한다.^[10]:1177

생산 및 분리

아르헨티나의 살라르 델 옴브레 무에르토 (왼쪽)와 볼리비아의 살라르 데 우유니 (오른쪽)와 같은 염전은 리튬이 풍부하다. 리튬이 풍부한 염수는 태양 증발 연못 (아르헨티나 이미지에서 볼 수 있음)으로 펌핑되어 농축된다.

순수 알칼리 금속의 생산은 물과 같은 일반적인 물질과의 극심한 반응성 때문에 다소 복잡하다.^[5][63] 규산염 광석에서 모든 안정 알칼리 금속은 같은 방식으로 얻을 수 있다. 먼저 황산을 사용하여 광석에서 원하는 알칼리 금속 이온과 알루미늄(III) 이온을 용해시킨 다음 (침출), 염기성 침전으로 알루미늄 이온을 수산화 알루미늄으로 침전시켜 혼합물에서 제거한다. 그런 다음 남아있는 불용성 알칼리 금속 탄산염이 선택적으로 침전된다. 이 염은 염산에 용해되어 염화물을 생성한다. 그 후 증발시켜 알칼리 금속을 분리할 수 있다.^[63] 리튬과 나트륨은 일반적으로 액체 염화물에서 전기 분해를 통해 분리되며, 혼합물의 녹는점을 낮추기 위해 일반적으로 염화 칼슘이 첨가된다. 그러나 더 무거운 알칼리 금속은 일반적으로 다른 방식으로 분리되는데 환원제 (일반적으로 칼륨의 경우 나트륨, 가장 무거운 알칼리 금속의 경우 마그네슘 또는 칼슘)를 사용하여 알칼리 금속 염화물을 환원시킨다. 액체 또는 기체 생성물 (알칼리 금속)를 정제를 위해 분별 증류를 거친다.^[63] 순수 알칼리 금속을 얻는 대부분의 경로는 높은 반응성 때문에 전기 분해를 사용해야 한다. 전기 분해를 사용하지 않는 몇 안 되는 방법 중 하나는 해당 알칼리 금속 아자이드의 열분해로, 이는 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘의 경우 금속을, 리튬의 경우 질화물을 생성한다.^[123]:77

리튬 염은 광천수, 염수 웅덩이, 염수 퇴적물에서 추출해야 한다. 금속은 용융된 염화 리튬과 염화 칼륨 혼합물의 전기 분해로 생산된다.^[185]

나트륨은 주로 바닷물과 건조된 해저에서 발견되지만,^[5] 현재는 염화 나트륨을 다우존스 셀을 사용하여 녹는점을 700°C 미만으로 낮춰 전기 분해하여 생산한다.^[186][187] 극히 순수한 나트륨은 아자이드화 나트륨의 열분해를 통해 생산할 수 있다.^[188] 칼륨은 실바이트 (염화 칼륨)와 같은 많은 광물에서 발견된다.^[5] 이전에는 캐나다, 러시아, 벨라루스, 독일, 이스라엘, 미국, 요르단 등지에서 광범위하게 발견되는 염화 칼륨 또는 수산화 칼륨의 전기 분해로 칼륨을 생산하는 것이 일반적이었다. 이 방법은 1800년대 후반과 1900년대 초반에 나트륨이 생산된 방식과 유사하다.^[189] 또한 바닷물에서도 생산할 수 있다.^[5] 그러나 이러한 방법은 칼륨 금속이 용융 염화물에 용해되는 경향이 있고 생산을 위해 필요한 온도에서 얻은 추출물이 상당히 기화되어 폭발성 초과산화물을 형성할 수 있다는 문제가 있다. 결과적으로, 순수 칼륨 금속은 이제 850°C에서 용융 염화 칼륨을 나트륨 금속으로 환원시켜 생산된다.^[10]:74

Na (g) + KCl (l) NaCl (l) + K (g)

나트륨은 칼륨보다 반응성이 낮지만, 이 과정은 이러한 고온에서 칼륨이 나트륨보다 더 휘발성이 강하여 쉽게 증류될 수 있으므로 평형이 오른쪽으로 이동하여 더 많은 칼륨 가스를 생성하고 거의 완전히 진행되기 때문에 작동한다.^[190]:74

나트륨과 같은 금속은 용융 염의 전기 분해로 얻어진다. Rb 및 Cs는 주로 Li 가공의 부산물로 얻어진다. 순수 세슘을 만들기 위해 세슘 및 루비듐 광석을 분쇄하고 650°C에서 나트륨 금속과 함께 가열하여 합금을 생성한 다음, 분별 증류 기술을 통해 분리할 수 있다. 금속성 세슘은 다루기에는 너무 반응성이 강하므로 일반적으로 아자이드화 세슘(CsN3)으로 제공된다. 수산화 세슘은 세슘이 물과 얼음과 격렬하게 반응할 때 형성된다(CsOH).^[191]

루비듐은 지구 지각에서 16번째로 풍부한 원소이지만, 상당히 희귀하다. 북미, 남아프리카, 러시아, 캐나다에서 발견되는 일부 광물에는 루비듐이 포함되어 있다. 일부 칼륨 광물 (레피돌라이트, 흑운모, 장석, 카날라이트)에는 세슘과 함께 루비듐이 포함되어 있다. 폴루사이트, 카날라이트, 백류석, 레피돌라이트는 모두 루비듐을 함유한 광물이다. 리튬 추출의 부산물로 레피돌라이트에서 상업적으로 얻어진다. 루비듐은 또한 칼륨 암석과 염수에서도 발견되며, 이는 상업적 공급원이다. 대부분의 루비듐은 현재 리튬 정제의 부산물로 얻어진다. 루비듐은 진공관에서 게터로 사용되며, 게터는 진공관에서 미량 가스를 결합하고 제거하는 물질이다.^[192][193]

이 우라니나이트 표본에는 항상 약 100,000개의 원자 (3.3×10^^-20 g)의 프랑슘-223이 포함되어 있다.^[58]

1950년대와 1960년대 몇 년 동안 칼륨 생산의 부산물인 알카르브는 루비듐의 주요 공급원이었다. 알카르브는 루비듐 21%를 함유하고 나머지는 칼륨과 소량의 세슘이었다.^[194] 오늘날 캐나다 매니토바의 탄코 광산(Tanco Mine)과 같은 주요 세슘 생산 업체는 폴루사이트에서 루비듐을 부산물로 생산한다.^[195] 오늘날 루비듐을 칼륨과 세슘에서 분리하는 일반적인 방법은 루비듐과 세슘 명반 (Cs, Rb)Al(SO₄)₂·12H₂O의 분별 결정화로, 약 30회 재결정화를 거쳐 순수 루비듐 명반을 얻는다.^[195][196] 루비듐 화합물의 제한된 응용과 루비듐이 풍부한 광물의 부족으로 루비듐 화합물의 생산량은 연간 2~4 미터톤으로 제한된다.^[195] 그러나 세슘은 위 반응으로 생산되지 않는다. 대신, 폴루사이트 광석 채굴이 순수 세슘을 얻는 주요 방법이며, 광석에서 주로 세 가지 방법(산 침출, 알칼리 분해, 직접 환원)으로 추출된다.^[195][197] 두 금속은 리튬 생산의 부산물로 생산된다. 1958년 리튬의 열핵 특성에 대한 관심이 급증한 후, 루비듐과 세슘의 생산량도 그에 따라 증가했다.^[10]:71 순수 루비듐과 세슘 금속은 염화물을 750°C의 저압에서 칼슘 금속으로 환원시켜 생산된다.^[10]:74

자연에서의 극심한 희귀성 때문에,^[60] 대부분의 프랑슘은 핵 반응 ¹⁹⁷Au + ¹⁸O → ²¹⁰Fr + 5 중성자를 통해 합성되며, 프랑슘-209, 프랑슘-210, 프랑슘-211을 생성한다.^[198] 지금까지 조립된 프랑슘의 최대량은 약 300,000개의 중성 원자이며,^[199] 이는 위에서 주어진 핵 반응을 사용하여 합성되었다.^[199] 유일한 천연 동위 원소인 프랑슘-223이 특별히 필요할 경우, 이는 악티늄-227의 알파 붕괴 생성물로 생산되며, 악티늄-227 자체는 천연 라듐-226의 중성자 조사(照射)로 합성적으로 생산된다. 라듐-226은 천연 우라늄-238의 딸핵종 중 하나이다.^[200]

응용

리튬, 나트륨, 칼륨은 많은 유용한 응용 분야를 가지는 반면, 루비듐과 세슘은 학문적 맥락에서 매우 주목할 만하지만 아직 많은 응용 분야를 가지지 않는다.^[10]:68 리튬은 리튬 전지의 핵심 성분이며, 산화 리튬은 실리카 가공에 도움이 될 수 있다. 스테아르산 리튬은 증점제이며 윤활유 그리스를 만드는 데 사용될 수 있다. 이는 수산화 리튬에서 생산되며, 이는 우주 캡슐과 잠수함에서 이산화 탄소를 흡수하는 데도 사용된다.^[10]:70 염화 리튬은 알루미늄 부품의 납땜 합금으로 사용된다.^[201] 의학에서는 일부 리튬 염이 양극성 장애 (조울증)를 치료하는 기분 안정제로 하루 약 0.5~2그램의 용량으로 사용되지만, 부작용이 있다.^[10]:70

나트륨 화합물은 많은 응용 분야를 가지며, 가장 잘 알려진 것은 식용 소금으로 알려진 염화 나트륨이다. 지방산의 나트륨 염은 비누로 사용된다.^[202] 순수 나트륨 금속 또한 나트륨 증기 램프에 사용되는 것을 포함하여 많은 응용 분야를 가지며, 이는 다른 유형의 조명에 비해 매우 효율적인 빛을 생산한다.^[203][204] 또한 다른 금속의 표면을 매끄럽게 하는 데 도움이 될 수 있다.^[205][206] 강력한 환원제이므로 염화물에서 타이타늄과 지르코늄과 같은 다른 많은 금속을 환원하는 데 자주 사용된다. 또한 낮은 녹는점, 점도, 중성자 흡수 단면적 때문에 고속 증식로에서 열 교환 액체로 매우 유용하다.^[10]:74 나트륨 이온 전지는 해당 리튬 기반 전지에 비해 더 저렴한 대안을 제공할 수 있다. 나트륨과 칼륨은 모두 일반적으로 GRAS 역이온으로 사용되어 산성 의약품의 더 수용성이고 따라서 더 생체 이용률이 높은 염 형태를 만든다.^[207]

칼륨 화합물은 칼륨이 식물 영양에 중요한 원소이므로 종종 비료로 사용된다.^[10]:73[208] 수산화 칼륨은 매우 강한 염기이며, 다양한 물질의 pH를 조절하는 데 사용된다.^[209][210] 질산 칼륨과 과망가니즈산 칼륨은 종종 강력한 산화제로 사용된다.^[10]:73 초과산화 칼륨은 호흡 마스크에 사용되는데, 이산화 탄소와 반응하여 탄산 칼륨과 산소 가스를 생성하기 때문이다. 순수 칼륨 금속은 자주 사용되지 않지만, 나트륨과의 합금은 고속 증식로에서 순수 나트륨을 대체할 수 있다.^[10]:74

루비듐과 세슘은 종종 원자 시계에 사용된다.^[211] 세슘 원자 시계는 놀랍도록 정확하다. 공룡 시대에 시계를 만들었다면 (8천만 년 후) 4초 미만의 오차를 가질 것이다.^[56] 이 때문에 세슘 원자는 초의 정의로 사용된다.^[212] 루비듐 이온은 종종 보라색 불꽃놀이에 사용되며,^[213] 세슘은 석유 산업의 시추 유체에 자주 사용된다.^[56][214]

프랑슘은 상업적 용도가 없지만,^{[58][59][215]} 프랑슘의 비교적 단순한 원자 구조를 비롯한 여러 요인 덕분에 분광학 실험에 사용되어 에너지 준위와 약한 상호작용의 결합 상수에 대한 더 많은 정보를 얻을 수 있었다.^[216] 레이저 트랩에 포획된 프랑슘-210 이온에서 방출되는 빛에 대한 연구는 양자 역학 이론에 의해 예측된 것과 유사하게 원자 에너지 준위 간의 전이에 대한 정확한 데이터를 제공했다.^[217]

생물학적 역할 및 주의 사항

금속

순수 알칼리 금속은 공기와 물에 위험할 정도로 반응성이 높으므로 열, 불, 산화제, 산, 대부분의 유기 화합물, 할로탄소, 플라스틱, 습기로부터 멀리 보관해야 한다. 또한 이산화 탄소 및 사염화 탄소와도 반응하므로 일반 소화기는 알칼리 금속 화재에 사용하면 역효과를 낸다.^[218] 금속 화재용으로 설계된 일부 D급 건조 분말 소화기는 화재 진화에 효과적이며, 산소를 차단하고 알칼리 금속을 냉각시킨다.^[219]

실험은 보통 흄 후드에서 소량의 몇 그램만 사용하여 수행된다. 소량의 리튬은 차가운 물과 반응시켜 폐기할 수 있지만, 더 무거운 알칼리 금속은 반응성이 낮은 아이소프로판올에 용해시켜야 한다.^[218][220] 알칼리 금속은 광물유 또는 불활성 분위기에서 보관해야 한다. 사용되는 불활성 분위기는 아르곤 또는 질소 가스일 수 있지만, 리튬은 질소와 반응하므로 제외된다.^[218] 루비듐과 세슘은 공기로부터 멀리 보관해야 한다. 기름 아래에서도 소량의 공기가 기름 속으로 확산되어 위험한 폭발성 과산화물을 형성할 수 있기 때문이다. 같은 이유로 칼륨은 산소를 포함하는 분위기에서 기름 아래에 6개월 이상 보관해서는 안 된다.^[221][222]

이온

탄산 리튬

알칼리 금속 이온의 생무기 화학은 광범위하게 검토되었다.^[223] 작은 펩타이드, 핵산 구성 요소, 탄수화물 및 이온 운반체 착물에서 알칼리 금속 이온 착물의 고체 결정 구조가 결정되었다.^[224]

리튬은 생물학적 시스템에서 자연적으로 극미량으로만 존재하며 알려진 생물학적 역할은 없지만, 섭취 시 신체에 영향을 미친다.^[225] 탄산 리튬은 정신건강의학에서 양극성 장애 (조울증)를 치료하는 기분 안정제로 매일 약 0.5~2그램 용량으로 사용되지만, 부작용이 있다.^[225] 리튬 과다 섭취는 졸음, 어눌한 말투, 구토 등의 증상을 유발하며,^[225] 중추신경계를 독성으로 해친다.^[225] 이는 양극성 장애 치료에 필요한 리튬 용량이 독성 용량보다 약간만 낮아 위험하다.^[225][226] 그 생화학적 작용, 인체에서 처리되는 방식, 쥐와 염소를 이용한 연구는 리튬이 필수 미량 원소임을 시사하지만, 인간에서 리튬의 자연적인 생물학적 기능은 아직 밝혀지지 않았다.^[227][228]

나트륨과 칼륨은 알려진 모든 생물학적 체계에 존재하며, 일반적으로 세포 내외에서 전해질로 기능한다.^[229][230] 나트륨은 혈액량, 혈압, 삼투압 균형 및 pH를 조절하는 필수 영양소이다. 나트륨의 최소 생리적 필요량은 하루 500 밀리그램이다.^[231] 염화 나트륨(일반적인 소금으로도 알려짐)은 식단에서 나트륨의 주요 공급원이며, 양념 및 피클링 및 저키와 같은 보존제로 사용된다. 대부분의 나트륨은 가공 식품에서 나온다.^[232] 나트륨의 식품 섭취 참고량은 하루 1.5 그램이지만,^[233] 미국 대부분의 사람들은 하루 2.3 그램 이상을 섭취하는데,^[234] 이는 고혈압을 유발하는 최소량이다.^[235] 이는 전 세계적으로 760만 명의 조기 사망을 야기한다.^[236]

칼륨은 동물 세포 내에서 주요 양이온 (양전하 이온)이며,^[229] 나트륨은 동물 세포 외에서 주요 양이온이다.^[229][230] 이 하전된 입자들의 농도 차이는 세포막 내외의 전위 차이를 유발하며, 이를 막 전위라고 한다. 칼륨과 나트륨의 균형은 세포막의 이온 수송 단백질에 의해 유지된다.^[237] 칼륨과 나트륨 이온에 의해 생성된 세포막 전위는 세포가 활동전위—전기 방전의 "스파이크"—를 생성할 수 있게 한다. 세포가 전기 방전을 생성하는 능력은 신경전달, 근육 수축, 심장 기능과 같은 신체 기능에 중요하다.^[237] 이 균형이 깨지면 치명적일 수 있다. 예를 들어, 다량의 칼륨 화합물을 섭취하면 고칼륨혈증이 발생하여 심혈관계에 강한 영향을 미칠 수 있다.^[238][239] 염화 칼륨은 미국에서 독살형 집행에 사용된다.^[238]

좁은 빔으로 방사선을 집중시키기 위한 긴 시준기가 있는 휠형 방사선 치료 장치. 세슘-137 염화물 방사능원은 파란색 사각형이고, 감마선은 개구부에서 나오는 빔으로 표현된다. 이것은 고이아니아 방사능 유출사고에 관련된 방사능원으로, 약 93 그램의 염화 세슘-137을 포함하고 있었다.

루비듐과 세슘은 원자 반지름이 비슷하여 체내에서 칼륨을 모방하여 유사하게 흡수된다. 루비듐은 알려진 생물학적 역할이 없지만, 물질대사를 자극하는 데 도움이 될 수 있으며,^{[240][241][242]} 세슘과 유사하게,^[240][243] 체내에서 칼륨을 대체하여 칼륨 결핍을 유발한다.^[240][242] 부분적인 대체는 충분히 가능하며 비교적 무독성이다. 70kg의 사람은 평균 0.36g의 루비듐을 함유하고 있으며, 이 수치가 50~100배 증가해도 피실험자에게는 부정적인 영향이 나타나지 않았다.^[244] 쥐는 칼륨의 50%까지 루비듐으로 대체되어도 생존할 수 있다.^[242][245] 루비듐 (그리고 훨씬 덜하지만 세슘)은 일시적인 저칼륨혈증 치료제로 기능할 수 있다. 루비듐은 일부 시스템에서 칼륨을 생리적으로 적절하게 대체할 수 있지만, 세슘은 결코 그럴 수 없다.^[241] 루비듐이 염소에서 필수적일 수 있다는 결핍 증상 형태의 증거는 매우 제한적이다. 설령 사실이라 하더라도 일반적으로 음식에 존재하는 미량의 양으로도 충분하다.^[246][247]

세슘 화합물은 대부분의 사람들에게는 거의 접해지지 않지만, 대부분의 세슘 화합물은 약한 독성을 띤다. 루비듐과 마찬가지로 세슘은 체내에서 칼륨을 대체하는 경향이 있지만, 훨씬 더 커서 더 좋지 않은 대체재이다.^[243] 과도한 세슘은 저칼륨혈증, 부정맥, 급성 심장 마비를 유발할 수 있지만,^[248] 그러한 양은 일반적으로 자연적인 원천에서 접할 수 없다.^[249] 생쥐에 대한 염화 세슘의 반수 치사량 (LD₅₀) 값은 킬로그램당 2.3 그램으로, 염화 칼륨과 염화 나트륨의 LD₅₀ 값과 비슷하다.^[250] 염화 세슘은 대체 암 치료법으로 홍보되었으나,^[251] 과학적으로 검증되지 않은 암 치료의 일환으로 사용된 50명 이상의 환자의 사망과 관련이 있다.^[252]

세슘의 방사성 동위 원소는 특별한 예방 조치가 필요하다. 세슘-137 감마선 선원을 부적절하게 다루면 이 방사성 동위 원소가 방출되고 방사선 부상을 입을 수 있다. 가장 잘 알려진 사례는 1987년 고이아니아 시의 버려진 병원에서 부적절하게 처분된 방사선 치료 시스템이 고물상에서 약탈당하고, 빛나는 세슘 염이 호기심 많고 교육받지 못한 구매자에게 팔려나간 고이아니아 방사능 유출사고이다. 이는 방사선 노출로 인한 4명의 사망자와 심각한 부상으로 이어졌다. 세슘-134, 아이오딘-131, 스트론튬-90과 함께 세슘-137은 체르노빌 원자력 발전소 사고로 인해 확산된 동위 원소 중 건강에 가장 큰 위험을 초래하는 것 중 하나였다.^[98] 프랑슘의 방사성 동위 원소도 높은 붕괴 에너지와 짧은 반감기로 인해 위험할 것으로 추정되지만, 심각한 위험을 초래할 만큼 충분한 양이 생산된 적은 없다.^[200]

내용주

1. 나트륨(Na)과 칼륨(K)의 원소 기호는 라틴어 이름인 natrium과 kalium에서 유래한다. 이 이름들은 독일어와 러시아어 등 일부 언어에서 여전히 원소의 이름으로 사용되고 있다.
2. 세슘(Caesium)은 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에서 권장하는 철자이다.^[1] 미국화학회(ACS)는 1921년부터 cesium이라는 철자를 사용해 왔다.^[2][3] 이는 웹스터 제3 신 국제사전(Webster's Third New International Dictionary)을 따른 것이다.
3. 옛 IUPAC 및 CAS의 족 번호 체계에서 이 족은 IA족("그룹 1 A"로 발음하며, "I"는 로마 숫자이다)으로 알려져 있다.^[4]
4. 수소 역시 이러한 전자 배열을 가지고 있지만, 1주기 원소에 원자가 p-오비탈이 없기 때문에 매우 다른 행동을 보이므로 알칼리 금속으로 간주되지 않는다.
5. 1869년 멘델레예프의 주기율표 버전에서는 구리와 은이 수소 및 수은과 함께 자체 그룹에 배치되었고, 금은 우라늄과 미발견 에카-알루미늄 아래에 붕소족에 잠정적으로 배치되었다.
6. 별표는 들뜬 상태를 나타낸다.
7. 괄호 안에 주어진 숫자는 측정 불확도를 나타낸다. 이 불확도는 괄호 안의 값 앞에 있는 숫자의 가장 덜 중요한 자릿수(즉, 오른쪽에서 왼쪽으로 세는)에 적용된다. 예를 들어, 1.00794(7)은 1.00794±0.00007을 의미하며, 1.00794(72)는 1.00794±0.00072를 의미한다.^[64]
8. 나열된 값은 무역 및 상업에 적합한 통상적인 값이며, 실제 값은 샘플의 동위원소 조성에 따라 6.938에서 6.997까지 다양할 수 있다.^[66]
9. 이 원소는 안정적인 핵종이 없으며, 괄호 안의 값은 원소의 가장 오래 사는 동위 원소의 질량수를 나타낸다.^[65][66]
10. 라이너스 폴링은 프랑슘의 파울링 척도에서의 전기 음성도를 세슘과 같은 0.7로 추정했다.^[68] 세슘의 값은 이후 0.79로 정밀화되었지만, 프랑슘의 값은 정밀화할 수 있는 실험 데이터가 없다.^[69] 프랑슘은 세슘보다 약간 더 높은 이온화 에너지(세슘의 375.7041(2) kJ/mol에 비해 392.811(4) kJ/mol)를 가지는데,^[67] 이는 상대론적 효과에서 예상되는 바이며, 이는 세슘이 둘 중 더 전기 음성도가 낮다는 것을 의미한다.