1. 개요
Alkali Metals원소 주기율표의 1족 원소중에서 수소[1]가 아닌 원소, 즉 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘을 이른다.(각각 3, 11, 19, 37, 55, 87번)
알칼리 금속들은 자른 단면에 광택이 있으며 커터칼로 손쉽게 채썰기처럼 썰 수 있을 정도로 매우 무르다. 또한 알칼리 금속은 각각 고유한 불꽃 반응색을 갖고 있는데, 리튬과 루비듐이 빨간색, 나트륨이 노란색, 칼륨과 세슘이 보라색이다.
녹는점이 비교적 낮다.( 리튬 180.5°C, 나트륨 97.8°C, 칼륨 63.5°C, 루비듐 39.3°C, 세슘 28.5°C, 프랑슘 20°C)
2. 상세
알칼리 금속은 전자를 잃고 +1가의 양이온으로 존재하기 쉬우며 -1가의 할로젠 원소 이온과 결합하기 쉽다[2]. 산소를 만나 산화되기 쉬우므로 공기 중에 보관하지 않고 석유나 벤젠 등에 넣어 보관하며, 물과 만나면 수소를 발생시키며 격렬하게 반응[3]하므로 기름에 넣어 수분도 차단해 보관한다. 알칼리 금속이 물과 반응하면, 알칼리 금속의 원자가전자[4]가 물의 두 수소 원자 중 하나를 떨어뜨리고 그 자리를 차지하기 때문이다. 떨어진 수소 원자는 기체가 되고 알칼리 금속은 남은 수소 하나, 산소 하나와 반응해 수산화물을 만든다. 남은 기체 수소 하나는 알칼리 금속과 물과의 치환반응 도중 나오는 에너지에 의해 발화하고, 수소의 농도가 높다면 아래 비디오에서 세슘과 루비듐과 같이 폭발을 일어나는 참사가 벌어질 수도 있다.산소 혹은 물과의 반응은 주기가 올라갈수록(=리튬에서 세슘으로 갈수록) 더욱 격렬해지는데, 물과의 반응을 알아보려면
위의 영상을 참고. 나트륨만 해도 발생하는 열 때문에 자신이 녹아서 구형이 되며 칼륨 이상은 폭발한다. 세슘은 공기 중에서도 자연발화 위험성이 있어 진공상태로 유통될 정도이고, 위 영상처럼 조금이라도 물에 넣으면 아예 수조가 개박살까지 나버린다. 실제로 영화 등의 수중폭발신에서는 물속에 리튬을 넣어 폭발효과를 낸다. 가장 약한 리튬마저 물에 반응하면 상당히 위험하며 운 없으면 크게 다칠 수도 있는 수준인데[5] 나머지는 오죽하겠는가.
참고로 흔히 알려진 이 비디오는 가짜다. 낚인 사람 꽤 될 듯.
참고로 저 실험에서 가장 주기가 높은 프랑슘은 아예 나오지도 않았는데, 구하기 어렵고, 무엇보다 가격이 매우 비싸서 그렇다. 지구 지각 속에 20~30 g밖엔 없는 데다가, 반감기가 20분 정도라서 애써 구한 것도 하루만 놔두면 거의 사라져 버린다. 그리고 방사능 물질이라는 것은 덤. 만일 물에 넣는 실험을 할 수 있을 정도의 프랑슘을 얻는다면 물에 넣기도 전에 즉시 폭발한다. 그 이유는 화학 반응이 아닌 짧은 반감기로 인해 폭발적으로 방사성 붕괴 에너지가 방출되기 때문이다.
다만 프랑슘은 상대론적 효과로 인해 주기는 하나 높은데도 오히려 세슘보다 약한 반응성을 가진다. 이러한 추세는 미발견 원소인 우누넨늄으로도 이어져 프랑슘보다 반응성이 약할 것으로 예측된다.
지각에서의 존재량은 나트륨 > 칼륨 >> 루비듐 > 리튬 > 세슘 >>>> 프랑슘 순이다.
3. 원리
일상생활에서 사용되는 사례로, 리튬은 휴대전화 배터리, 나트륨은 조미료[6], 칼륨은 비료와 의약품의 재료에 쓰인다.알칼리 금속이 왜 물과 폭발적으로 반응하는지는 다음과 같다. 처음에는 금속 표면에서 배출되는 수소 가스가 연소되면서 일어난다고 생각되었으나 조금만 생각해봐도 수소 가스와 증기가 금속과 물을 떼어놓아 연료가 되는 물의 지속적인 공급이 없어져 반응이 약해진다는 것을 생각할 수 있다. 폭발적인 반응을 위해서는 반응물질이 효과적이고 신속하게 뒤섞여야 한다는 것은 기본. 결국 체코의 파벨 융그비르트(Pavel Jungwirth)와 연구원이 양자역학과 초고속 카메라를 동원해 밝혀냈다. 알칼리 금속이 물에 닿는 순간 표면에 있는 금속들은 수 피코초(10-12 s) 이내에 전자들을 잃고 튀어나오고 그 튀어나온 전자들은 물에 용해되어 어두운 청색의 모습이 된다. 그리고 그 전자들의 출발지는 양으로 대전된 이온들로 가득 찬 금속 덩어리로 남게 되고 쿨롱 힘으로 인해 서로를 밀어내면서 폭발하는 것이다. 네이처 뉴스 쉽게 말하자면, 반발력으로 폭발하는 것.
[1]
사실 충분한 압력을 가해 원자핵 간의 사이가 보어 반경보다 더 좁아지면 금속성을 띠게 되긴 하지만. 수소는
할로젠 원소에 분류하기도 하지만 어디에도 분류하지 않을 때가 압도적으로 많다.
[2]
가장 대표적인 예가
소금=
염화
나트륨
[3]
반응식은 [math(2L+2H_2O \rightarrow 2LOH+H_2)]이다.([math(L)]은
첫 번째 알칼리 금속의
원소 기호인 [math(Li)]를 대표하는 것이다.)
[4]
가장 바깥쪽에 위치한 전자라서 최외각 전자라고 부르기도 한다.
[5]
알칼리 금속은 아니지만 수소도 반응성이 매우 커서 의외로 위험할 수 있다. 즉, 1주기 원소들은 모두 일상적인 수준에서 반응성이 큰 위험한 물질이라고 볼 수 있다.
[6]
당장
소금이랑
MSG가 대표적인 나트륨 화합물이다.