Métaux alcalins

On donne le nom de métaux alcalins aux éléments de la première colonne du tableau périodique des éléments en dehors de l'hydrogène. Ces éléments sont le lithium Li, le sodium Na, le potassium K, le rubidium Rb, le césium Cs et le Francium Fr. Ils ont tous la particularité de n'avoir qu'un seul électron dans leur bande de valence. De fait, ils sont tous très peu électronégatifs, beaucoup moins que l'hydrogène par exemple dont le potentiel d'électronégativité est égal à 2,2. Ils sont nucléophiles (donneurs d'électron). Le francium est un élément radioactif de durée de vie égale à 21 minutes.

Le sodium, le potassium et le fluor sont des oligoéléments. Is sont respectivement en 9è, 7è et 13è position dans la liste des éléments les plus abondants du corps humain. Dans la croûte terrestre, le sodium et le potassium pointent en 6è et 7è place (28000 et 26000 ppm). En revanche, ils sont peu abondants l'univers, le lithium ne représentant que 2,3 10^-6 de la masse baryonique et le sodium 1 10^-6.

Dans les conditions normales de température et de pression, si l'on excepte le francium qui fond à 20°, ils se présentent sous la forme d'un métal plutôt mou (on peut le couper avec un couteau). Ils s'oxydent très vite à l'air libre, perdant ainsi l'aspect brillant que leur confère leur caractère métallique. Ils sont relativement légers : la densité des trois premiers (Li, Na, K) est inférieure à 1, celle des trois autres inférieure à deux. Leur point de fusion s'étage entre 20° pour le francium et 97,8° pour le sodium. Seul le lithium reste solide jusqu'à 180°. Leur point d'ébullition est supérieur à 650°, celui du lithium atteint 1342°.

Le potentiel de première ionisation des métaux alcalins est relativement faible : de 3,88 eV pour le césium à 5,37 eV pour le lithium. Ils s'ionisent donc facilement pour donner les cations Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺ et Cs⁺. Ceci explique leur caractère nucléophile. Il est beaucoup plus difficile de leur arracher un deuxième électron (27 eV pour le césium, 47 eV pour le sodium). Il faut en effet aller chercher cet électron sur la couche n-1 qui est complète, donc très stable.

Le potentiel d'oxydoréduction du lithium est élevé, ce qui en fait un composant très recherché pour réaliser des piles (piles au lithium).

Hydroxyde

Les métaux alcaline réagissent violemment avec l'eau en dégageant de l'hydrogène qui brûle dans l'air et peut même provoquer une explosion :

L'hydroxyde de sodium NaOH est plus connu sous le nom de soude caustique. La soude caustique se présente sous forme de cristaux. Elle est très hygroscopique. En solution, elle libère l'ion OH^- qui est une base forte. Elle est utilisée de manière intensive, en particulier pour ses propriétés de détergent. L'hydroxyde de potassium KOH porte le nom de potasse. Il est utilisé en industrie chimique pour produire des engrais ou du savon.

La lithine LiOH est moins connue, c'est une base forte très corrosive. En présence de peroxyde d'hydrogène, l'hydroxyde de lithium forme un composé ionique appelé hydroperoxyde de lithium LiOOH :

Hydrures

Les métaux alcalins réagissent avec l'hydrogène pour former des hydrures :

Les hydrures de métaux alcalins sont des bases fortes qui libèrent des ions OH^- en solution dans l'eau.

Oxydes

Les métaux alcalins s'oxydent rapidement pour donner des oxydes, des peroxydes ou des superoxydes :

• Li₂O, Li₂O₂
• Na₂O, Na₂O₂, NaO₂
• K₂O, K₂O₂, KO₂
• Cs₂O, Cs₄O

Ces oxydes sont en général basiques et réagissent avec l'eau pour donner des hydroxydes. Les peroxydes et superoxydes ont tendance à redonner naturellement des oxydes et de l'oxygène.

La bande de valence du soufre a la même configuration que celle de l'oxygène, il réagit avec les métaux alcalins pour donner des sulfures (sulfure de sodium Na₂S, sulfure de potassium K₂S). Ces sulfures s'hydrolysent complètement pour donner des hydroxydes :

L'ion SH^- a des propriétés très proches de celles de l'ion OH^-.

Halogénures

Nucléophiles, les métaux alcalins sont attaqués par les halogènes pour former des halogénures. Le chlorure de sodium NaCl et le chlorure d potassium KCl sont bien sûr connus pour leur utilisation culinaire. Le chlorure de lithium LiCl est utilisé dans l'industrie chimique et sidérurgique. Les fluorures (LiF, NaF, KF) sont toxiques. Ils sont utilisés dans l'industrie. L'iodure de potassium KI a de nombreuses applications en chimie organique, dans l'alimentation mais aussi dans l'industrie pharmaceutique.

Sels d'oxacides

Du fait de leur caractère nucléophile les métaux alcalins forment des sels avec tous les oxacides. Des nitrates et des nitrites tout d'abord. Si le nitrate de sodium NaNO₃ et le nitrate de lithium LiNO₃ ont un emploi limité, le nitrate de potassium KNO₃, plus connu sous le nom de salpêtre, a longtemps été utilisé comme ingrédient principal pour faire de la poudre à canon. Il continue d'être utilisé comme propergol ou en charcuterie. Le nitrite de sodium NaNO₂ a lui aussi des applications alimentaires ainsi que dans l'industrie chimique.

Le carbonate de potassium K₂CO₃ est utilisé comme engrais et pour ses propriétés fongicides. Il rentre également dans la composition du verre. Le carbonate de sodium Na₂CO₃ (appelé improprement cristaux de soude) a de nombreuses applications (savon, sidérurgie...). Le bicarbonate de soude (Na⁺CO₂OH^-) et le bicarbonate de potassium (K⁺CO₂OH^-) ont des usages multiples, y compris domestiques comme régulateur de pH. Ce sont des hydrogénocarbonates. On les prépare en faisant réagir le carbonate correspondant avec de l'eau et du dioxyde de carbone :

Le carbonate de lithium Li₂CO₃ a quelques applications industrielles.

Le sulfate de sodium Na₂SO₄ est produit industriellement pour l'industrie du verre ou celle des textiles. Ses propriétés de détergent sont également appréciées. Le sulfate de potassium K₂SO₄, que l'on trouve dans les plantes, est un engrais. Il est aussi utilisé comme composant dans les peintures. Le sulfite de sodium Na₂SO₃ est un additif alimentaire aux vertus antioxydantes. Le thiosulfate Na₂S₂O₃ est un ligand. Il est utilisé comme fixateur en photographie mais également comme antidote pour neutraliser l'effet de certains produits toxiques.

Le phosphate de sodium Na₃PO₄ est un additif alimentaire, tout comme le dihydrogénophosphate de potassium KH₂PO₄. L'hydrogénophosphate de potassium K₂HPO₄ est utilisé comme régulateur d'acidité de l'estomac et dans l'agriculture biologique.

On ne peut pas terminer ce tour d'horizon des sels alcalins sans parler du permanganate de potassium KMnO₄. Connu pour ses vertus de désinfectant, il est aussi utilisé dans la conservation des fruits (il arrête le processus de mûrissement en oxydant l'éthylène dégagé par les fruits) et le traitement de eaux. C'est aussi un composant intervenant dans la fabrication de certains ergols.

Métaux alcalino-terreux

Les métaux alcalino-terreux sont les éléments de la deuxième colonne. Ces éléments sont le béryllium Be, le magnésium Mg, le calcium Ca, le strontium Sr, le baryum Ba et le radium Ra. Le radium est radioactif. La demi-vie du ²²⁶Ra est de 1600 ans. Leur caractéristique commune est de posséder deux électrons dans leur bande de valence.

Le magnésium est relativement abondant dans l'Univers (0,06%). Il se classe à la 9^ème position à l'échelle de la voie lactée. LE calcium figure dans la liste des 20 premiers (0,007%). Les autres éléments sont beaucoup plus rares. Le magnésium et le calcium sont les seuls métaux alcalino-terreux relativement abondants dans la croûte terrestre : 2,9% pour le magnésium et 5% pour le calcium. Le calcium est un outre un oligoélément qui représente 1,4% de la masse du corps humain (en particulier dans le squelette).

Dans les conditions normales de température et de pression ils se présentent sous forme cristalline. Si l'on excepte le béryllium, le point de fusion des métaux alcalino-terreux est inférieur à 1000°C. Le béryllium, le magnésium et le calcium (et même le strontium) sont peu denses.

Comme les métaux alcalins ils sont peu électronégatifs. Si l'on excepte le béryllium qui noue généralement des liaisons covalentes, Ils donnent facilement des cations chargés deux fois positivement : Mg²⁺, Ca²⁺...

Oxydes

Les oxydes des métaux alcalino-terreux (BeO, MgO, CaO, SrO, BaO) sont des oxydes cristallins de couleur blanche. Ils sont obtenus par combustion du métal dans le dioxygène, par calcination d'un sel, carbonate ou nitrate, ou par déshydratation d'un hydroxyde. Leur température de fusion est très élevée (supérieure à 2500°C pour l'es oxydes de béryllium, de magnésium et de calcium). L'oxyde de calcium est appelé communément chaux vive.

Halogénures

Les métaux alcalino-terreux sont très réactifs avec les halogènes. Si l'on excepte le béryllium, ils forment des sels ioniques qui s'hydrolysent dans l'eau. Les halogénures de béryllium (comme le chlorure de béryllium BeCl₂) sont quant à eux covalents et ne réagissent pas avec l'eau.

Hydroxydes

Le magnésium, le calcium, le strontium et le baryum forment des hydroxydes qui sont des bases fortes :

L'hydroxyde de calcium est appelé chaux éteinte. Le béryllium ne réagit pas avec l'eau.

Sels d'oxacides

Magnésium, calcium, strontium et baryum forment aisément des sels d'oxacides (carbonate, nitrate, phosphate, sulfate) et c'est en général sous cette forme qu'on les trouve dans la nature. Le carbonate de calcium CaCO₃ par exemple est le composant de base du calcaire et le gypse est un sulfate de calcium hydraté CaSO₄.2H₂O. Le permanganate de calcium CaMnO₄ est un agent blanchissant que l'on trouve dans la composition de nombreux dentifrices. Le béryllium fait une nouvelle fois exception du fait de sa faible propension à former de tels composés.

Composés organomagnésiens

Les composés organomagnésiens sont des molécules organiques dans laquelle il y a au moins une liaison carbone-magnésium. Parmi les composés organomagnésiens on distingue une sous-famille appelée réactifs de Grignard de formule générique R-MgX, R étant une molécule organique et X un halogène.

Les composés organomagnésiens jouent un rôle important en chimie organique et notamment en synthèse organique. Les réactifs de Grignard permettent en particulier de réaliser des substitutions nucléophiles et des additions nucléophiles.

Applications

La magnésium est utilisé en mécanique sous forme d'alliage avec l'aluminium (le magnésium est inflammable et est rarement utilisé seul). Il est aussi utilisé en chimie organique (voir ci-dessus). Le calcium est utilisé pour ses propriétés réductrices dans le traitement du minerai ainsi que dans la production du plâtre et du ciment. En tant qu'oligoéléments, le magnésium et le calcium sont utilisés comme composants dans des produits pharmaceutiques et parapharmaceutiques. Le béryllium a des applications militaires (rigidité et stabilité sur une large gamme de température). L'oxyde de béryllium qui est à la fois isolant et conducteur thermique a des applications en microélectronique. Les autres métaux alcalino-terreux ont beaucoup moins d'applications.

Rôle dans la chimie du vivant

Le calcium et le magnésium jouent un rôle essentiel dans la chimie du vivant. L'hydroxyapatite Ca₅(PO₄)₃(OH)₂ est le composant minéral qui donne leur solidité aux os et aux dents. Le carbonate de calcium forme la coquille des mollusques. Calcium et magnésium sont aussi des oligoéléments. Le magnésium en particulier est un cofacteur de nombreuses enzymes.