Periodiek systeem/Alkalimetalen, geschiedenis

Geschiedenis van de alkalimetalen

Natriumverbindingen zijn bekend sinds de oertijd, keukenzout vormt al eeuwenlang een van de basisstoffen in de menselijk samenleving. In een woord als "salaris", afgeleid van het Latijnse "salarium" dat letterlijk vertaald kan worden met "zoutgeld" of "zoutrantsoen". Het salarium was het betaalmiddel aan Romeinse soldaten in gebieden waar zout schaars was en als betaalmiddel werd gebruikt.

De kennis en het gebruik van kaliumzouten, vooral in de vorm van "potas", kaliumcarbonaat, gaat ook al terug tot op voorhistorische tijden. Dat er een fundamenteel verschil bestond tussen de natrium- en kaliumzouten was een besef dat pas vroeg in de 18e eeuw door Stahl en Duhamel du Monceau onderbouwd werd. De precieze samenstelling van zowel natrium als kaliumverbindingen bleef nog lange tijd een probleem. Om deze reden ontbraken de elementen dan ook in de elementenlijst die Lavoisier in 1789 samenstelde.

Metallisch kalium werd voor het eerst in 1807 door Humphry Davy bereid uit gesmolten caustische potas, kaliumhydroxide, door elektrolyse met behulp van de toen net ontwikkelde zuil van Volta. Eerdere pogingen om via de elektrolyse van een waterige oplossing het metaal te bereiden waren door de reactiviteit van kalium mislukt. Later datzelfde jaar lukte het hem uitgaande van gesmolten caustische soda metallisch natrium te bereiden. De twee duidelijk verschillende metalen maakte ook het principiële verschi tussen de twee elementen, en dus hun verbindingen, duidelijk.

Het mineraal petaliet, $(\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{S}\mathrm{i}{\phantom{A}}_4\mathrm{O}{\phantom{A}}_{10})$ werd in 1800 ontdekt in een mijn op het Zweedse eiland Utö door de Braziliaanse chemicus José Bonifácio de Andrada. Het duurde toen nog tot 1817 dat Johan Arfwedson, toen werkend onder Berzelius, de aanwezigheid van een nieuw element er in aantoonde: lithium. Hij zag dat dit nieuwe element vergelijkbare verbindingen als natrium en kalium vormde, hoewel zijn carbonaat en hydroxide minder goed oplosbaar waren dan die van de twee andere elementen. Ook waren die verbindingen basischer dan die van natrium en kalium. Berzelius gaf het onbekende materiaal de naam "lithion/lithina", afgeleid van het oud-Griekse λιθoς (lithos, met de betekenis van "steen"), om de ontdekking ervan in vast materiaal aan te geven, in tegenstelling tot kalium dat in de as van verbrande planten ontdekt was en natrium, deels bekend om de grote hoeveelheid ervan in dierlijk bloed. Lithium, natrium en kalium vormen een belangrijk onderdeel in de ontdekking van de triades en de periodiciteit door Döbereiner in 1850.

Rubidium en cesium zijn de eerste elementen die met behulp van de door Bunsen en Kirchhoff in 1859 ontwikkelde spectroscoop werden ontdekt. De ontdekking met de spectroscoop leverde echter geen concrete hoeveelheden van de nieuwe elementen. Dat werd wel mogelijk toen zij een jaar later cesium ontdekten in mineraalwater uit Bad Dürkheim in Duitsland. Een jaar later vonden zij in Heidelberg het mineraal lepidoliet, dat rubidium bevat. De namen zijn ontleend aan de meest opvallende emissie-lijnen van deze elementen: een helder, rode lijn voor rubidium (<Latijn: rubidus, helder, donker rood) en de hemelsblauwe lijn in het cesium-spectrum (<Latijn: caesius, hemelsblauw)

Rond 1865 kon John Newlands een serie artikelen schrijven waarin hij de nadruk legde op het verschijnsel dat, net als in de muziek na zeven tonen, de achtste toon - het octaaf - vergelijkbare functies in accoorden en de melodielijn kan vertonnen als de eerste. Bij de elementen trad iets dergelijks op, na acht elementen werden de eigenschappen van het eerste element herhaald. In e systeem dat hij op basis van deze regel bouwde werd groep 1 gevormd door de huidige set alkalimetalen, samen met koper (dat in zouten meestal als $\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{A}}^{2+}$ voorkomt, maar zouten met $\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{A}}^{+}$ zijn ook bekend), zilver en thallium. Waterstof plaatste hij bij de halogenen.

Petaliet, het lithiumhoudende mineraal waaruit het metaal voor het eerst geïsoleerd werd.

J.W.Döbereiner} was een van de eersten die op de overeenkomsten wees in de groep die we nu als alkalimetalen kennen.

Lepidoliet, het mineral waaruit rubidium voor het eerst uit werd geïsoleerd.

Hiernaast is een latere versie (1871) van het periodiek systeem van Dmitri Mendelejev dan de meer bekende versie uit 1869 weergegeven. In de bovenste rij staan de verbindingen aangegeven die de elementen uit die groep met waterstof en met zuurstof vormen. Opvallend daarbij is dat, in contrast met vandaag, de aantallen atomen in een molecuul als superscript worden aangegeven in plaats van als subscript (bijvoorbeeld: $\mathrm{R}\mathrm{H}{\phantom{A}}^4$ en $\mathrm{R}\mathrm{O}{\phantom{A}}^2$ boven groep 4. een tweede punt is dat hier ook duidelijk wordt dat wetenschap een kwestie van vallen en opstaan is. In veel boeken wordt de suggestie gewekt dat in 1869 het periodiek systeem er was. Uit deze publicatie blijkt duidelijk dat het proces toen nog lang niet helemaal doorlopen was. De verschillen tussen de twee versies houden, naar de huidige stand van kennis, meestal aanpassingen in die elementen op hun correcte plaats zetten. Waterstof komt boven lithium in groep 1 en thalium verhuist naar de boorgroep. de plaatsing van koper, zilver en goud is opmerkelijk: zowel in groep 1 als in groep 8 (die de huidige groepen 8 tot en met 11 omvat). Toen de notatie in 18 kolommen wwrd geaccepteerd, verhuisden de elementen uit Mendelejev's groep VIII naar hun huidige positie in het d-blok, de alkali-metalen bleven in groep 1, nu met een arabisch cijfer. De triviale naam alkalimetalen voor deze groep elementen blijft verbonden met het feit dat de hydroxides na oplossen in water, sterk basische, alkalische, oplossingen vormen.

Er is ten minste vier keer ten onrechte melding gemaakt van de ontdekking van francium voordat Marguerite Perey aan het Curie-instituut in Parijs het element ontdekte in een monster gezuiverd actinium-227 dat zij aan een nieuwe zuiveringsronde onderwierp. De energie van de door het monster tijdens radioactief verval uitgezonden deeltjes was aangegeven als Sjabloon:Nowrap Zij vond daarnaast echter ook straling met een energie kleiner dan Sjabloon:Nowrap. Ze had het idee dat deze straling afkomstig kon zijn van een niet eerder gedetecteerd vervalproduct van ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{227}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}227}\mathrm{A}\mathrm{c}$. In de eerdere zuivering van het monster was het verwijderd, maar door het radioactieve verval van actinium opnieuw in het monster gevormd. Diverse testen sloten isotopen van thorium, radium, lood, bismut of thallium uit. Het nieuwe materiaal vertoonde eigenschappen van een alkalimetaal, zoals het ontstaan van een co-precipitaten met cesium-zouten. Perey kwam tot de overtuiging dat ze element 87 gevonden had, ontstaan door α-verval van ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{227}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}227}\mathrm{A}\mathrm{c}$. Het feit dat slechts 1% van het actiunium via α-straking verviel, maakte duidelijk dat eerdere onderzoekers dit niet gezien hadden.

${\phantom{A}}_{\phantom{89}}^{\phantom{227}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}89}^{\phantom{2}227}\mathrm{A}\mathrm{c}\underset{21\text{,}{\phantom{A}}_{77}\mathrm{j}\mathrm{r}}{\overset{\mathrm{\alpha }(1\text{,}{\phantom{A}}_{38}\mathrm{\%})}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{87}}^{\phantom{223}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}87}^{\phantom{2}223}\mathrm{F}\mathrm{r}\underset{22\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}{\overset{\mathrm{\beta }}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{88}}^{\phantom{223}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}88}^{\phantom{2}223}\mathrm{R}\mathrm{a}\underset{11\text{,}{\phantom{A}}_4\mathrm{d}}{\overset{\mathrm{\alpha }}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{86}}^{\phantom{219}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}86}^{\phantom{2}219}\mathrm{R}\mathrm{n}$

Het element dat onder francium zou moeten komen te staan is element 119 met de werknaam ununennium en symbool Uue.Sjabloon:Rp In 1985 is voor het eerst geprobeerd dit erlement te synthetiseren door einsteinium-254 te bombarderen met calcium-48. Er werden geen atomen gevonden:

${\phantom{A}}_{\phantom{99}}^{\phantom{254}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}99}^{\phantom{2}254}\mathrm{E}\mathrm{s}+{\phantom{A}}_{\phantom{20}}^{\phantom{48}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}20}^{\phantom{2}48}\mathrm{C}\mathrm{a}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{119}}^{\phantom{302}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}119}^{\phantom{2}302}\mathrm{U}\mathrm{u}\mathrm{e}$^* $⟶geenatomen$

Het is erg onwaarschijnlijk dat deze reactieroute in de nabije toekomst wel tot atomen van Uue zal leiden. Hoewel ${\phantom{A}}_{\phantom{99}}^{\phantom{254}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}99}^{\phantom{2}254}\mathrm{E}\mathrm{s}$ op basis van zijn relatief lange halfwaardetijd (270 dagen) een aantrekkelijk uitgangspunt vormt, is de beschikbaarheid van enkele microgrammen, noodzakelijk om een voldoende groot doel te hebben om de calcium-ionen op te richten, wel problematisch. Het element komt niet in de natuur voor en kan slechts in laboratoria gemaakt worden. De hoeveelheden zijn dan echter minimaal.