Métaux alcalins – propriétés physiques et chimiques, utilisations, production

Introduction

Les métaux alcalins, groupe 1 de la table périodique, comprennent six éléments ⁚ lithium, sodium, potassium, rubidium, caesium et francium, caractérisés par des propriétés physiques et chimiques spécifiques.​

Définition et classification des métaux alcalins

Les métaux alcalins sont une famille d’éléments chimiques qui occupent la première colonne, ou groupe 1, de la table périodique des éléments.​ Ils sont ainsi définis en fonction de leur position dans la table périodique et de leurs propriétés chimiques similaires.​ Ces éléments sont caractérisés par une électropositivité élevée, ce qui signifie qu’ils ont tendance à perdre un électron pour former un cation.​

Ils sont également appelés métaux alcalins car ils réagissent avec l’eau pour former des alcalis, tels que des hydroxydes.​ Les métaux alcalins sont généralement divisés en deux sous-groupes ⁚ les métaux alcalins légers, qui comprennent le lithium et le sodium, et les métaux alcalins lourds, qui comprennent le potassium, le rubidium, le caesium et le francium.​

Propriétés physiques des métaux alcalins

Les métaux alcalins présentent des propriétés physiques caractéristiques, telles que des points de fusion et d’ébullition bas, des densités faibles et des structures cristallines spécifiques.​

Apparence et structure cristalline

Les métaux alcalins ont une apparence métallique brillante, avec une couleur allant du gris-blanc pour le lithium au jaune-orangé pour le caesium.​ Ils cristallisent dans un système cristallin cubique, avec une structure de type corps centré (bcc) pour le lithium, le sodium et le potassium, et une structure de type face centré (fcc) pour le rubidium et le caesium.

Cette structure cristalline est caractérisée par une grande mobilité des électrons, ce qui explique la bonne conductivité électrique et thermique de ces métaux.​ La taille des atomes et des ions augmentant à mesure que l’on descend le groupe, la distance entre les atomes voisins augmente également, ce qui affecte les propriétés physiques des métaux alcalins.​

Masses atomiques et densités

Les masses atomiques des métaux alcalins varient de 6,94 u pour le lithium à 223,02 u pour le francium, en raison de l’augmentation du nombre de protons et de neutrons dans le noyau atomique.​

La densité des métaux alcalins décroît régulièrement en descendant le groupe, passant de 0,534 g/cm³ pour le lithium à 1,879 g/cm³ pour le caesium.​ Cette diminution de la densité est due à l’augmentation de la taille des atomes et à la réduction de leur masse volumique.​

Ces propriétés sont importantes pour comprendre les comportements physiques et chimiques des métaux alcalins, notamment leur réactivité et leurs interactions avec d’autres éléments.​

Points de fusion et d’ébullition

Les points de fusion et d’ébullition des métaux alcalins sont des propriétés physiques importantes qui varient en fonction de la position de l’élément dans le groupe 1 de la table périodique.​

Le lithium a un point de fusion de 180,54 °C et un point d’ébullition de 1 342 °C, tandis que le sodium fond à 97,82 °C et bout à 883 °C.​

Les points de fusion et d’ébullition des autres métaux alcalins suivent une tendance générale de diminution en descendant le groupe, avec des valeurs respectives de 63,38 °C et 759 °C pour le potassium, 39,31 °C et 688 °C pour le rubidium, 28,40 °C et 671 °C pour le caesium, et 27,00 °C et 677 °C pour le francium.​

Propriétés chimiques des métaux alcalins

Les métaux alcalins présentent des propriétés chimiques particulières liées à leur forte réactivité et leur électropositivité élevée, entraînant des réactions vigoureuses avec l’eau et l’air.​

Réactivité et électropositivité

La réactivité des métaux alcalins est liée à leur faible énergie d’ionisation et leur forte électropositivité, qui favorisent la perte d’électrons pour former des cations.​ Cette propriété rend les métaux alcalins très réactifs, en particulier vis-à-vis de l’eau et de l’air.

En effet, les métaux alcalins ont tendance à perdre facilement un électron pour former un cation monopositif, ce qui explique leur forte réactivité.​ Cette électropositivité élevée est due à la présence d’un seul électron de valence, qui est facilement remplaçable par un électron d’un autre élément.​

Cette réactivité et cette électropositivité élevées expliquent pourquoi les métaux alcalins sont souvent stockés dans des huiles ou des atmosphères inertes pour éviter les réactions indésirables.​

Réactions avec l’eau et l’air

Les métaux alcalins réagissent violemment avec l’eau, produisant des hydroxydes alcalins et libérant de l’hydrogène gazeux.​ Cette réaction est souvent accompagnée d’une forte augmentation de température et d’une émission de lumière.​

Par exemple, la réaction du sodium avec l’eau produit du hydroxyde de sodium et de l’hydrogène ⁚

• 2Na (s) + 2H₂O (l) → 2NaOH (aq) + H₂ (g)

De même, les métaux alcalins réagissent également avec l’air, formant des oxides et des peroxides.​ Ces réactions peuvent être violentes et nécessitent des précautions particulières pour la manipulation de ces éléments.​

Les éléments du groupe 1 de la table périodique

Ce groupe comprend six éléments ⁚ lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), caesium (Cs) et francium (Fr), caractérisés par des propriétés spécifiques.​

Lithium (Li)

Le lithium est le premier élément du groupe 1, avec un numéro atomique de 3 et une masse atomique de 6,94 g/mol. Il est un métal alcalin très léger, avec une densité de 0,534 g/cm³.​

Ses propriétés physiques remarquables incluent une faible densité, une haute réactivité et une grande conductivité thermique.​ Le lithium est également connu pour ses applications dans les batteries électriques, les médicaments et les matériaux céramiques.​

Dans la nature, le lithium est présent à l’état de traces dans les minéraux et les eaux minérales.​ Il est extrait principalement du spodumène et de la pétralite, deux minéraux contenant du lithium.​

Sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), caesium (Cs) et francium (Fr)

Ces cinq éléments du groupe 1 présentent des propriétés physiques et chimiques similaires, mais avec des différences notables.​

Le sodium et le potassium sont deux métaux alcalins couramment utilisés dans l’industrie, notamment pour la production de verre, de savon et de papier. Le rubidium et le caesium sont quant à eux utilisés dans les horloges atomiques et les lasers.​

Le francium, dernier élément du groupe 1, est un métal radioactif extrêmement rare, découvert en 1939.​ Ses isotopes ont des demi-vies très courtes, ce qui rend difficile son étude et son utilisation pratique.​

Ces éléments sont généralement extraits de leurs minerais respectifs, tels que le chlorure de sodium (sel gemme) et la carnallite pour le potassium.​

Utilisations et applications des métaux alcalins

Les métaux alcalins ont de nombreuses applications industrielles et commerciales en raison de leurs propriétés uniques.​

Ils sont utilisés dans la production de verre, de papier, de savon, de textiles et de produits chimiques.

Le lithium est utilisé dans les batteries électriques, les systèmes de stockage d’énergie et les médicaments.​

Le sodium est employé dans la fabrication de verre, de papier et de produits chimiques, tandis que le potassium est utilisé comme engrais et dans la production de verre et de céramiques.​

Les autres métaux alcalins, tels que le rubidium et le caesium, sont utilisés dans les horloges atomiques, les lasers et les équipements électroniques de haute précision.​

Ces éléments jouent également un rôle important dans l’industrie nucléaire et dans la production d’énergie nucléaire.

Méthodes de production des métaux alcalins

La production des métaux alcalins implique généralement l’extraction de leurs minerais respectifs, suivie d’une série d’étapes de traitement et de purification.​

Le lithium est extrait de minerais tels que la spodumène et la pétille, puis traité par électrolyse ou par réduction chimique.​

Le sodium est produit par électrolyse de la soude (sodium chloride) à haute température.​

Le potassium est extrait de minerais tels que la sylvine et la carnallite, puis traité par électrolyse ou par réduction chimique.

Les autres métaux alcalins, tels que le rubidium et le caesium, sont produits par électrolyse ou par réduction chimique de leurs respectifs chlorures.​

Ces méthodes de production varient en fonction de la qualité et de la quantité du minerai disponible, ainsi que des coûts et des exigences de l’industrie.​