Les métaux alcalins : comprendre les éléments du groupe 1 du tableau périodique

Que sont les métaux alcalins ?

Les métaux alcalins sont six éléments chimiques du groupe 1, la colonne la plus à gauche du tableau périodique. Ce sont le lithium (Li), le sodium (Na), le potassium (K), le rubidium (Rb), le césium (Cs), et le francium (Fr). (L'hydrogène (H) a un électron sur sa couche externe, mais n'est pas classé comme métal alcalin car c'est un gaz à température ambiante, pas un métal.)

Ils sont ainsi nommés car en réagissant avec l'eau, ils forment des alcalis. Les alcalis sont des hydroxydes de ces éléments, comme l'hydroxyde de sodium et l'hydroxyde de potassium. Ce sont des bases très fortes et caustiques. La soude caustique, par exemple, est l'hydroxyde de sodium. Les alcalis réagissent avec les acides pour former des sels.

Sous forme pure, les métaux alcalins sont des métaux mous, brillants, aux points de fusion bas. Ils réagissent facilement avec l'air et l'humidité. Du fait de leur réactivité, des précautions spéciales sont nécessaires pour leur utilisation et stockage.

Les métaux alcalins sont hautement réactifs aux conditions standard de température et pression et perdent facilement leur électron le plus externe pour former des cations de charge +1. Ils peuvent tous être coupés facilement au couteau grâce à leur tendresse, exposant une surface brillante qui se ternit rapidement dans l'air par oxydation due à l'humidité et l'oxygène atmosphériques (et pour le lithium, l'azote).

À cause de leur haute réactivité, ils doivent être stockés sous huile pour éviter la réaction avec l'air, et ne se trouvent à l'état naturel que sous forme de sels, jamais comme éléments libres. Le césium, le cinquième métal alcalin, est le plus réactif de tous les métaux. Tous les métaux alcalins réagissent avec l'eau, les plus lourds réagissant plus vigoureusement que les plus légers.

Métaux alcalins dans le tableau périodique

Les métaux alcalins sont le lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), césium (Cs), et francium (Fr). Ce groupe se trouve dans le bloc s du tableau périodique, car tous ont leur électron le plus externe dans une orbitale s.

Les métaux alcalins fournissent le meilleur exemple de tendances de groupe dans les propriétés du tableau périodique, avec des éléments exhibant des propriétés similaires. En descendant dans le tableau, tous les métaux alcalins connus montrent :

• Rayon atomique croissant
• Électronégativité décroissante
• Réactivité croissante
• Points de fusion et d'ébullition décroissants

En général, leurs densités augmentent en descendant, sauf le potassium, moins dense que le sodium.

Propriétés des métaux alcalins

Les métaux alcalins sont un groupe d'éléments chimiques du tableau périodique avec les propriétés physiques et chimiques suivantes :

• Brillants
• Mous
• Argentés
• Hautement réactifs aux conditions standard
• Perdent facilement leur électron externe pour former des cations +1

Les métaux alcalins ont de bas points de fusion. Le lithium fond à 180,5 °C ; le césium à seulement 28,4 °C. Ces éléments sont aussi d'excellents conducteurs de chaleur et d'électricité. Ils sont très réactifs et se trouvent généralement en composés avec d'autres éléments, comme le sel (chlorure de sodium, NaCl) et le chlorure de potassium (KCl).

Ils peuvent tous être coupés facilement au couteau en plastique grâce à leur tendresse, et leur surface brillante se ternit rapidement dans l'air par oxydation. À cause de leur haute réactivité, ils doivent être stockés sous huile pour éviter la réaction avec l'air.

Dans la nomenclature IUPAC moderne, les métaux alcalins comprennent les éléments du groupe 1, excluant l'hydrogène. Tous réagissent avec l'eau, les plus lourds plus vigoureusement que les plus légers.

Propriétés des métaux alcalins :

Propriétés	Lithium	Sodium	Potassium	Rubidium	Césium	Francium
Numéro atomique	3	11	19	37	55	87
Masse atomique (ou isotope le plus stable)	6,941	22,99	38,098	86,468	132,905	223
Couleur de l'élément	Argent	Argent	Argent	Argent	Argent	—
Point de fusion (°C)	180,5	97,72	63,38	39,31	28,44	27
Point d'ébullition (°C)	1 342	883	759	688	671	677
Densité à 20 °C (g/cm³)	0,534	0,971	0,862	1,532	1,873	—
Augmentation de volume à la fusion (%)	1,51	2,63	2,81	2,54	2,66	—
Valence	1	1	1	1	1	1
Nombre de masse des isotopes les plus communs (abondance terrestre, %)	6 (7,59), 7 (92,41)	23 (100)	39 (93,2581), 40 (0,0117), 41 (6,7302)	85 (72,17), 87 (27,83)	133 (100)	—
Couleur impartie à la flamme	Rouge	Jaune	Violet	Jaune Violet	Bleu	—
Principales raies d'émission spectrale (longueur d'onde, angströms)	6 708 ; 6 104	5 890 ; 5 896	7 699 ; 7 665	4 216 ; 4 202	4 593 ; 4 555	—
Chaleur de fusion (cal/mol / kJ/mol)	720 (3)	621 (2,6)	557 (2,33)	523 (2,19)	500 (2,09)	500 (2)
Chaleur spécifique (J/g·K)	3,582	1,228	0,757	0,363	0,242	—
Résistivité électrique à 293–298 K (µΩ·cm)	9,5	4,9	7,5	13,3	21	—
Susceptibilité magnétique (unités cgs)	14,2 (10⁻⁶)	16 (10⁻⁶)	20,8 (10⁻⁶)	17 (10⁻⁶)	29 (10⁻⁶)	—
Structure cristalline	Cubique centré	Cubique centré	Cubique centré	Cubique centré	Cubique centré	—
Rayon atomique (angströms)	1,67	1,9	2,43	2,65	2,98	—
Rayon ionique (+1 ion, angströms)	0,9	1,16	1,52	1,66	1,81	1,94
Rayon métallique (angströms, 12-coordonné)	1,57	1,91	2,35	2,5	2,72	2,8
Première énergie d'ionisation (kJ/mol)	520,2	495,8	418,8	403	375,7	380
Potentiel d'oxydation 0 à +1 à 25 °C (volts)	3,04	2,71	2,93	2,92	2,92	2,92
Électronégativité (Pauling)	0,98	0,93	0,82	0,82	0,79	0,7

Liste des métaux alcalins

Les métaux alcalins sont :

• Lithium (Li)
• Sodium (Na)
• Potassium (K)
• Rubidium (Rb)
• Césium (Cs)
• Francium (Fr)

L'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC) exclut l'hydrogène (H) comme métal alcalin car il est gazeux aux températures et pressions ordinaires. Cependant, l'hydrogène affiche de nombreuses propriétés associées aux éléments du groupe et devient un métal alcalin sous pression extrêmement élevée.

Exemples de métaux alcalins

Les métaux alcalins sont six éléments chimiques du groupe 1, la colonne la plus à gauche du tableau périodique. Ce sont le lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), césium (Cs), et francium (Fr).

Lithium

Le lithium est le métal le plus léger découvert. C'est le seul métal qui réagit avec l'azote. L'oxyde de lithium est amphotère (caractères acide et base). Hormis le lithium, les autres éléments alcalins sont prédominamment ioniques. La densité de charge du lithium est plus forte que les autres métaux alcalins, d'où son hydratation extensive.

Le lithium a été découvert en 1817 par Johan Arfvedson, lors de l'analyse de la pétalite LiAlSi₄O₁₀. Le mot lithium vient du grec « lithos » signifiant pierre. On le trouve dans divers minéraux pegmatitiques, argiles, saumures, océans, et dans tous les êtres vivants.

Utilisations du lithium

• Céramiques et verres résistants à la chaleur.
• Alliage de lithium dans la construction aéronautique.
• Deutérure de lithium comme combustible de fusion dans les armes thermonucléaires.
• Batteries au lithium à haute densité énergétique. Révolutionnent téléphones, ordinateurs.
• Sels de lithium comme stabilisateurs d'humeur (médicaments).
• Lithium-6 : source principale de production de tritium.
• Désoxydation du cuivre et alliages de cuivre.
• Composés de lithium comme colorants pyrotechniques dans les feux d'artifice (luminescence rouge).
• Graisses lubrifiantes produites à partir de lithium.

Sodium

Le sodium est une substance chimique que nous consommons quotidiennement dans notre alimentation sous forme de chlorure de sodium (sel commun). Le sodium est produit par électrolyse du chlorure de sodium. L'élément sodium est hautement réactif.

En 1806, Sir Humphry Davy, chimiste, obtint du sodium en faisant passer un courant électrique dans de l'hydroxyde de sodium fondu. Le sodium fut d'abord produit par fusion nucléaire dans les étoiles, par fusion de deux atomes de carbone. Il peut aussi être produit dans les étoiles quand des atomes de néon gagnent un proton.

Utilisations du sodium

• Lustre dans les métaux.
• Sodium liquide comme fluide caloporteur dans les réacteurs nucléaires.
• Sel de sodium d'acides gras dans le savon.
• NaK, alliage sodium-potassium, agent de transfert de chaleur important.
• Composés de sodium dans les industries papier, textile, pétrole, chimie.
• Iodure de sodium pour traiter la teigne étendue.
• Lampes à vapeur de sodium et éclairage public (lueur jaune brillante).
• Hydroxyde de sodium comme nettoyant four.

Potassium

Le potassium est le 19ᵉ élément du tableau périodique. Il joue un rôle vital dans le bon fonctionnement de nos corps. C'est un minéral essentiel à maintenir dans les organismes. Si le taux de potassium n'est pas équilibré, cela peut mener à l'hyperkaliémie ou l'hypokaliémie.

Le potassium grisaille à l'air. Pour prévenir l'oxydation et l'humidité, il est stocké dans le pétrole.

Utilisations du potassium

• Chlorure de potassium essentiel pour la croissance des plantes. Utilisé dans les engrais.
• La potasse améliore rétention d'eau, rendement, valeur nutritive, goût, couleur, texture, résistance aux maladies des cultures.
• Chlorate et nitrate de potassium dans explosifs et feux d'artifice.
• Nitrate de potassium comme conservateur alimentaire.
• Maintient la pression artérielle et l'acidité dans nos corps.
• Chromate de potassium dans le tannage du cuir, fabrication d'encres, poudre à canon, teintures, allumettes de sûreté, etc.
• Essentiel pour la respiration cellulaire normale et la fonction électrolytique (95% de nos cellules sont faites de potassium).
• Hydroxyde de potassium pour fabriquer des détergents.
• Aide à pomper les fluides dans le cœur et les nerfs.

Rubidium

Le rubidium est un élément radioactif. Il vient du latin « rubius » signifiant rouge profond.

Utilisations du rubidium

• Rubidium-82 en perfusion myocardique.
• Fabrication d'horloges atomiques, tubes électroniques, photocellules.
• Fluide de travail dans turbines à vapeur.
• Composant dans moteurs de véhicules spatiaux.
• Vapeur de rubidium pour le refroidissement laser.
• Chlorure de rubidium pour induire les cellules à absorber l'ADN.
• Générateurs thermoélectriques.
• Carbonate de rubidium pour verres optiques.
• Structure hyperfine des niveaux d'énergie utilisée dans les horloges atomiques.
• Composé rubidium-argent-iode aux caractéristiques électriques pour batteries à film mince.

Césium

Le césium est un métal actif. Chimiquement, c'est l'élément le plus électropositif et se combine avec les anions pour former des composés. C'est un élément hautement toxique. L'hydroxyde de césium est la base la plus forte découverte.

Il a de nombreux isotopes dont le césium-133, isotope stable et étalon le plus important pour la mesure du temps (horloges au césium ou horloges atomiques). Le césium est liquide à température ambiante ou proche.

Utilisations du césium

• Césium-134 dans l'industrie nucléaire.
• Cellules photoélectriques grâce à leur émission électronique rapide.
• Catalyseur pour l'hydrogénation de certains composés organiques.
• Systèmes de propulsion.
• Élimination des traces d'air dans les tubes sous vide.
• Cellules photovoltaïques, dispositifs d'image TV, équipements de vision nocturne.
• Vapeur de césium dans le magnétomètre.
• Césium-137 en curiethérapie pour traiter cancers. (Curiethérapie = traitement par éléments radioactifs)
• Solution de chlorure de césium en biologie moléculaire pour ultracentrifugation à gradient de densité, principalement isolation de particules virales, organites subcellulaires, fractions, acides nucléiques d'échantillons biologiques.
• Étalon en spectrophotométrie.
• Avions militaires.

Francium

Le francium a l'électronégativité la plus basse de tous les éléments connus. C'est un métal hautement radioactif et le plus lourd de ces métaux. Produit par bombardement de thorium par protons ou de radium par neutrons.

Cet élément est rare et peu utilisé. Principalement pour la recherche scientifique en laboratoire. Il se désintègre vite car sa demi-vie est courte.

Les métaux alcalins sont très utiles mais ne doivent pas être utilisés sans guidance experte car ils deviennent violents lors des réactions et doivent être manipulés prudemment car toxiques.

FAQ

Comment s'appellent les métaux alcalins ?

Le groupe 1A (ou IA) du tableau périodique sont les métaux alcalins : hydrogène (H), lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), césium (Cs), francium (Fr). Ce sont (sauf hydrogène) des métaux mous, brillants, bas points de fusion, hautement réactifs, qui se ternissent à l'air.

Quelles sont 5 caractéristiques des métaux alcalins ?

Caractéristiques :

• Colonne 1A du tableau périodique.
• Un électron sur la couche externe.
• Facilement ionisables.
• Argentés, mous, peu denses.
• Bas points de fusion.
• Incroyablement réactifs.

Quels sont 3 faits sur les métaux alcalins ?

• Très réactifs.
• Réagissent avec l'eau. Peut exploser au contact air/eau.
• Malléables et bons conducteurs de chaleur et électricité.

Quelles sont les utilisations des métaux alcalins ?

Applications industrielles : verres et céramiques résistants à la chaleur, graisses lubrifiantes au lithium, additifs flux pour production fer, acier, aluminium. Appareils mobiles et véhicules électriques dépendent des batteries lithium-ion.

L'aluminium est-il un métal alcalin ?

Le césium, cinquième métal alcalin, est le plus réactif de tous les métaux. Tous les métaux alcalins réagissent avec l'eau, les plus lourds plus vigoureusement que les plus légers.

Où trouve-t-on les métaux alcalins ?

Il y a des métaux alcalins autour de vous. Sodium dans le sel de table, lithium dans la batterie de téléphone, potassium dans les bananes. Six éléments dans la première colonne du tableau périodique.

Où les métaux alcalins se trouvent-ils naturellement ?

Premier groupe du tableau périodique. Jamais trouvés à l'état libre dans la nature car instables et réagissent vite avec d'autres éléments. Se lient bien avec tous sauf gaz nobles. À l'air, ils noircissent vite.

Quels sont les 2 métaux alcalins les plus réactifs ?

La réactivité augmente du haut vers le bas du groupe : lithium (Li) le moins réactif, francium (Fr) le plus réactif. Comme ils sont très réactifs, ils ne se trouvent dans la nature qu'en combinaison avec d'autres éléments.

De quoi est fait l'alcali ?

La fabrication d'alcali industriel désigne généralement la production de cendre de soude (Na₂CO₃ ; carbonate de sodium) et soude caustique (NaOH ; hydroxyde de sodium). Autres alcalis industriels : hydroxyde de potassium, potasse, soude. La production d'une vaste gamme de biens de consommation dépend de l'alcali à un stade ou un autre.

Pourquoi les métaux alcalins sont-ils très actifs ?

Ils ont un seul électron sur la couche la plus externe. La présence d'un unique électron de valence les rend très réactifs. Ils perdent l'électron pour gagner la configuration de gaz noble.

Dans quel bloc sont les métaux alcalins ?

Le bloc s du tableau périodique contient les métaux alcalins et alcalino-terreux (groupes 1 et 2). L'hélium fait aussi partie du bloc s. Le nombre quantique principal « n » remplit l'orbitale s. Maximum 2 électrons dans l'orbitale s.

Pourquoi les métaux alcalins se trouvent-ils dans la nature ?

Faibles enthalpies d'ionisation. Ils perdent facilement leurs électrons de valence et sont hautement réactifs. Donc dans la nature, ils ne sont pas à l'état élémentaire. À l'état combiné, ils sont présents sous formes d'halogénures, oxydes, silicates, borates, nitrates.

Pourquoi les métaux alcalins explosent-ils dans l'eau ?

Ils réagissent avec l'eau pour produire chaleur, gaz hydrogène, et l'hydroxyde métallique correspondant. La chaleur produite peut enflammer l'hydrogène ou le métal lui-même, causant incendie ou explosion.

Pourquoi les métaux alcalins ne sont-ils pas trouvés sur Terre ?

Faibles enthalpies d'ionisation. Ils perdent facilement leurs électrons de valence et sont hautement réactifs. Donc dans la nature, ils ne sont pas à l'état élémentaire.

Pourquoi les métaux alcalins sont-ils stockés dans l'huile ?

Les éléments du groupe 1 sont les métaux alcalins. Placés dans la colonne verticale à gauche du tableau périodique. Tous sont très réactifs. Ils doivent être stockés sous huile pour éloigner air et eau.