알칼리 금속의 성질 보고서

알칼리 금속의 주기적 성질

 

Ⅰ. 목적

알칼리 금속을 잘라 용액과의 반응정도를 통해 금속의 반응성의 크기를 이해한다.

알칼리 금속의 물리적 성질과 화학적 성질을 알아보고 공통성과 규칙성을 확인한다.

또한 원자번호가 커짐에 따라 어떠한 경향성을 띄는지 확인한다.

 

Ⅱ. 원리

 

가. 알칼리 금속의 물리적 성질

 

알칼리 금속은 주기율표의 가장 왼쪽에 위치한 1족 원소이다. 1족에는 Li,Na,K,Rb,Cs,Fr 이 있다. 알칼리 금속은 최외각의 전자배치가 으로 원자가 전자를 1개 가지므로 같은 주기에서 유효핵전하량이 가장 작기 때문에 원자 반지름은 가장 크고 질량은 가장 작다. 따라서 밀도가 작고 무르며 녹는점과 끓는점도 낮은 편이다.

알칼리 금속	밀도()	녹는점(K)	끓는점(K)
리튬	0.534	453.69	1615
나트륨	0.968	370.87	1156
칼륨	0.89	336.53	1032
루비듐	1.532	312.46	961

 

금속결합은 크게 단순입방, 체심입방, 면심입방, 육방밀집구조로 볼 수 있다. 이 중 알칼리 금속은 다른 고체들이 최밀구조를 가지는데 비해 체심입방구조를 가진다. 체심입방구조는 육면체의 꼭지점과 가운데에 입자가 배위되어 있는 공간 구조이고, 체심입방구조에서 그 결정을 이루는 입자가 차지하는 순부피(점유율)은 68%이며, 배위수는 8이다. 따라서 알칼리 금속은 결합수가 작으며, 핵전하량도 작기 때문에 다른 금속들보다 금속결합의 세기가 약하며, 비교적 느슨한 결합을 하고 있다고 볼 수 있다.

 

Fig1. 체심 입방 구조(네이버 백과)

나. 알칼리 금속의 화학적 성질

 

산화 환원 반응에 대한 정의는 크게 네가지로 볼 수 있는데, 산소의 결합과 분리, 수소의 결합과 분리, 전자의 이동, 또는 산화수에 의한 산화 환원 반응이 있다. 그 중 전자의 이동에 대한 정의를 보았을 때, 산화는 화학 반응시 어떤 원자나 이온이 전자를 잃는 반응이고, 환원은 전자를 얻는 반응으로 볼 수 있다. 알칼리 금속은 원자가전자를 잃고 산화되어 +1가 양이온이 되기 쉽다. 그러므로 알칼리 금속은 강한 환원제이고, 반응성이 매우 큰 물질이다.

이 때 강한 환원제라는 말은 산화 반응이 잘 일어난다는 뜻이고, 이를 다시 말하자면 이온화 에너지가 작다는 뜻을 의미한다.

같은 족에서는 원자번호가 커질수록 전자껍질이 늘어나면서 원자반지름이 증가하기 때문에 이온화 에너지는 감소하여 전자를 잃기 쉽다.

 

이 실험에서는 알칼리 금속들이 같은 족이라서 가지는 공통점과 원자번호에 따라 순차적으로 변하는 성질들의 규칙성을 확인해보고자 한다.

Fig2. 원자 번호에 따른 이온화 에너지

 

 Ⅲ. 준비물

 

가. 시약

 

약품명	농도 또는 상태	필요량
알칼리 금속( Li,Na,K )	파라핀 오일에 보관된 상태	각 10g
페놀프탈레인 용액		50mL

Fig3. 리튬, 나트륨, 칼륨(왼쪽부터)

나. 기구

기구명	규격	수량
칼		3개
시험관	지름 1cm	6개
비커	500mL	3개
핀셋		1개
페트리 접시	지름 10cm	3개
보안경		1개
자동점화기	부탄가스	1개
일회용 장갑		2개

 

Fig4. 실험 준비물

Ⅳ. 실험 과정

가. 알칼리 금속의 물리적 성질

① 일회용 장갑을 손에 끼고, 보안경을 착용한 후 알칼리 금속(  Li,Na,K  )을 핀셋으로 꺼내어 손으로 만져보고 손톱으로 눌러본다.

② 알칼리 금속(  Li,Na,K  )을 핀셋으로 꺼내어 페트리 접시 위에서 칼로 자르며 단단하기를 비교해본다.

나. 알칼리 금속의 화학적 성질

 

① 알칼리 금속(  Li,Na,K  )을 칼로 자르면서 단면의 색변화를 관찰한다.

② 찬물이 절반 정도 든 500mL 비커 3개에 과정 ①에서 자른 금속 조각을 각각 넣고 반응하는 모습을 관찰한다. 특히 물 위에 떠서 반응할 때 기포 발생 속도와 불꽃의 색을 비교·관찰한다.

③ 과정 ②에서 금속이 반응하여 사라진 비커에 페놀프탈레인 용액을 몇 방울 가해 색깔을 관찰한다.

④ 물이 절반 든 3개의 시험관에 핀셋으로 알칼리 금속 조각을 각각 넣고, 그 위에 깨끗한 시험관을 거꾸로 세워 발생하는 기체를 포집한다.

⑤ 과정 ④에서 모은 기체가 든 시험관을 거꾸로 한 채 기울여 점화기로 불을 붙여본다.

Ⅴ. 실험 결과

 

가. 알칼리 금속의 물리적 성질

 

물질	리튬	나트륨	칼륨
들어서 비교한 무거운 느낌	매우 가볍다.	가벼운 편이다.	약간 무겁다.
손톱으로 누를 때 단단한 느낌	단단하다.	무른 편이다.	매우 무르다.
칼로 자를 때 힘든 정도	매우 힘들다.	수월하다.	매우 수월하다.

 

 

나. 알칼리 금속의 화학적 성질

 

물질			리튬	나트륨	칼륨
자를 때 색이 변하는 속도와 변한 색	자르기 전		은색	은색	은색
	자른 후		검은색	흰색	보라색
물과 반응하는 격렬함		물 위에 떠서 천천히 돌며 기포가 발생한다.		노란빛 불꽃이 발생하며 빠르게 기포가 발생한다.	보라색 불꽃이 보이고,  격렬하게 반응하며 기포가 발생한다.
알칼리 금속과 반응 후 수용액의  페놀프탈레인에 의한 색변화
		옅은 분홍색		분홍색	진한 분홍색
물과 반응하여 발생하는  기체의 연소		세 금속과 물의 반응에서 발생한 기체는 모두 점화기로 불을 붙이면 노란불이 붙으며 뿅소리를 내고 순식간에 탄다. 그리고 시험관에는 수증기가 응결하여 물이 맺힌다.

 Ⅵ. 고찰

 

가. 알칼리 금속의 물리적 성질

알칼리 금속의 결정 구조는 체심입방구조이다. 체심입방구조는 입방체의 8개의 구석에 각 1개씩의 원자와 입방체의 중심에 1개의 원자가 있는 것을 단위포로 하는 결정이며, 실제의 결정에서 가장 많이 볼 수 있는 구조의 하나이다. 앞서 말했듯이, 나트륨, 칼륨 등 알칼리 금속들이 주로 이 구조에 속한다. 체심 입방 격자 1개가 점유하는 원자수는 1/8×8+1 = 2개이며, 이 때 점유율은 68%이다. 따라서 다른 금속 결정 구조의 점유율에 비해 작으며, 같은 주기에서 유효핵전하량이 가장 작으므로 결합세기가 다른 금속 결정 구조에 비해 약하다. 이 때, 같은 족에서 원자번호가 클수록 원자반지름 또한 크므로 유효 핵전하는 작으므로 결합세기 또한 약해진다.

이런 금속 결정의 알칼리 금속은 동일한 결정구조를 갖는 다른 금속들에 비해 결정배열이 느슨하다. 또한 원자들간의 거리는 원자량이 증가할수록 커지며, 그 결합력도 약해진다. 따라서 다른 금속과 달리 무르며, 칼로도 자르기가 쉽다. 또한 결정 내의 원자간의 거리가 길고 결합력이 약하기 때문에 녹는점은 리튬(179℃)에서 세슘(28.5℃)까지로 다른 금속에 비해 상당히 낮으며, 원자량이 증가할수록 녹는점은 낮아진다.

또한 알칼리 금속의 단면을 살펴보면, 광택을 띄고 있음을 볼 수 있는데 이는 자유전자들 때문이다. 자유전자가 거의 대부분의 가시 광선을 반사시키기 때문에 광택을 띄는 것이다. 다만, 알칼리 금속은 반응성이 좋기 때문에 공기 중에서도 산소와 반응을 하기 때문에 자른 표면에서 아주 짧은 시간동안만 관찰이 가능하다.

나. 알칼리 금속의 화학적 성질

실험시 알칼리 금속을 자른 뒤, 자른 단면의 광택은 금방 사라짐을 볼 수 있었다. 이는 알칼리 금속의 반응성이 매우 좋기 때문에 공기 중에서도 산소와 빠르게 반응하기 때문이다. 광택 변화의 속도는 알칼리 금속의 이온화 에너지를 이용해서 설명할 수 있다. 간에는 원자번호에 따라 조금씩 차이가 있다. 이는 알칼리 금속의 이온화 에너지 차이로 설명할 수 있다. 이온화 에너지는 같은 족에서 원자번호가 클수록 작으므로 원자번호가 클수록 산화반응의 속도가 빠른 것을 알 수 있다.

 

(M:알칼리 금속)

이는 알칼리 금속과 물의 반응식으로 반응의 생성물로 수소가 나타남을 알 수 있다. 즉 우리가 한 알칼리 금속과 물의 반응 실험에서 시험관에 모은 기체에 점화기를 이용해 불을 붙였을 때 펑하는 소리와 함께 순간적인 폭발이 일어나는 이유를 설명할 수 있다. 바로 알칼리 금속과 물이 반응하면서 수소가 발생하였기 때문이다. 또한 실험에서 물과 알칼리 금속의 반응성 또한 비교 할 수 있다. 앞서 말했듯이 같은 족에서 원자번호가 클수록 이온화 에너지가 작으므로 반응성 또한 원자번호가 클수록 크다. 즉, Li,Na,K를 보았을 때 반응성은 K가 가장 크므로 물과의 반응 또한 가장 많이 했다고 볼 수 있다. 따라서 K를 넣은 시험관에 불을 붙였을 때 반응이 가장 폭발적으로 나타난 것이다. 이 실험 외에도 페놀프탈리인을 떨어뜨렸을 때, 색변화의 정도를 보아도 된다. 가장 붉게 변한 것은 K가 들어있는 비커이므로, K가 반응성이 가장 크다는 것을 알 수 있다.