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LES METAUX ALCALINS
COMMENT EXPLIQUER CELA ?
Présentation:
Un métal alcalin est un élément chimique de la première colonne du tableau périodique des éléments. Le lithium Li, le sodium Na, le potassium K, le rubidium Rb, le césium Cs et le francium Fr sont des métaux alcalins.
Ils sont très réactifs. Ils ne se trouvent jamais à l’état élémentaire dans le milieu naturel et réagissent immédiatement en présence d'humidité ; on les conserve par conséquent immergés dans de l'huile minérale, par exemple de l'huile de vaseline. A cause de leur réactivité énorme les métaux alcalins sont impossibles à trouver dans la nature sous forme élémentaire.
PROPRIETES PHYSIQUES : Les métaux alcalins sont de couleur argentée (le césium a toutefois des reflets dorés), mous (le Lithium est le plus dur), à bas point de fusion et faible densité. Ils sont d’excellents conducteurs de chaleur en plus de leur stabilité vis-à-vis des radiations. Ils réagissent facilement avec les halogènes (éléments de la 17ème colonne) pour former des sels ioniques, et avec l'eau pour former des hydroxydes fortement basiques. Certains alliages (liquides) peuvent etre utilisés comme réfrigérants dans les centrales nucléaires. Au contact d’une flamme à très haute température, ils emettent de la couleur ( correspondant à des transitions de niveaux d’énergie). En effet, l'ajout de chaleur est à la base de la coloration de flamme. Les électrons absorbent l'énergie et se retrouvent dans un état excité, c'est-à-dire ils sautent dans une orbitale contenant plus d'énergie. Lors de l'abandon de cet état énergétiquement défavorable, l'énergie absorbée est libérée sous forme de lumière. Les métaux alcalins produisent des spectres de lignes, c'est-à-dire des longueurs d'onde qui leur sont propres.
Ces métaux alcalins ont tous 1 seul électron sur leur couche extérieure qu’ils perdent pour devenir des métaux. Ils sont donc ionisés (des cations). Li Li+ + e-
L’hydrogène devrait normalement faire partie de ces métaux alcalins. Seulement, contrairement aux autres éléments de sa colonne, il lui faut beaucoup plus d’énergie pour perdre son électron (couche k : la plus proche du noyau). De plus, l’hydrogène n’est pas métallique à des conditions normales de température et de pression, mais à des pressions très élevées.
Emission de couleur au contact d'une flamme à très haute température
PROPRIETES CHIMIQUES :
Les métaux Li, Na et K se corrodent rapidement dans l’air humide. Rb et Cs sont encore plus réactifs et sont donc conservés dans des ampoules scellées à l’abri de l’air. Quand au Francium, celui-ci est radioactif et n’a presque jamais été traité en grande quantité ( Pour le Francium, grande quantité veut dire quantité visible à l'oeil nu). Ils existent sous de cation monochargé (Na+ par exemple) car l’énergie nécessaire pour les ioniser est très faible ce qui fait d’eux de très bons réducteurs.
Tous les métaux alcalins réagissent avec les non-métaux (à part les gaz nobles) : Par exemple :
6Li(s)+ N² (g) 2Li²O(s)
Voici les différents réactions qu’on réalise le plus souvent :
Tableau présentant les caractéristiques (masse atomique, température de fusion, Température d'ébulltion et Masse volumique) des métaux alcalin
L'extraction de ces métaux alcalins:
Ils s’oxydent facilement et leur extraction est très difficile. Ils s’obtiennent par électrolyse de leur sel fondu. Ce processus oblige les ions des métaux alcalins à reprendre l'électron. Il se forme donc les éléments très réactifs.
Par exemple, le procédé de DOWN permet l’obtention du sodium par électrolyse du sel gemme par NaCl (on le met tout aussi parfois en présence de CaCl pour abaisser la température de fusion de NaCl de 800°C à 600°C, ce qui permet de faire des économies).
Exemples d'extraction de métaux alcalins avec du Sodium
Le plus important est leur réaction avec l’eau :
Les métaux alcalins sont connus pour leur violente réaction avec l’eau. Cette réaction augmente à chaque fois que l’on descend d’une ligne du tableau périodique des éléments. Le francium est l'élément qui réagit le plus. La raison en est que l'électron, qui est séparé, est plus éloigné du noyau chez les grands atomes et peut être plus facilement dissocié. Les forces d'attraction du noyau sur les électrons deviennent plus petites par distance croissante d'après la relation de Coulomb.
Leur réaction chimique : Métal alcalin + eau Hydroxyde du métal alcalin + Dihydrogène
Exemple avec le sodium:
Donc, on pourra obtenir aussi du dihydrogène.Mais cette réaction exothermique génère aussi une grande quantité de chaleur. A cause de cette chaleur, et de l'oxygène présent, le dihydrogène s'enflamme spontanément et crée une explosion. Ceci explique pourquoi le sodium sous forme de métal pur n'existe pas dans la nature et doit être manipulé avec précaution.
La dangerosité dépend de la quantité de métal dans l’eau.
Mais que peut-on en faire ?
Nous sommes intéressé aux piles Liyhium car cela utilise le Lithium en forme d'alcalin et peut etre très bénéfique contrairement aux piles alcalines de nos jours (voir le magazine). Malheureusement, le cout de fabrication reste trop chère par rapport à l'alcaline et on l'utilise donc très peu.
Nous pouvons aller encore plus loin avec la batterie lithium qui est un accumulateur électrochimique qui utilise le lithium sous une forme ionique. Cette batterie pourrait etre intégrée à une voiture. Elle libère de l’électricité par échange réversible des ions lithium entre deux électrodes : une anode en graphite et une cathode en oxyde métallique. Cet échange se fait au sein d’un électrolyte liquide. Malheureusement, ce dispositif présente certains risques en cas de fuite, de surchauffe ou de formation d’une structure cristalline de lithium entre les électrodes (malgré le fait que différents systèmes électromécaniques sont là pour éviter ce genre de problème).
D'un autre coté, la batterie lithium-ion a une très forte densité énergétique (énergie par unité de volume) et une importante énergie massique (énergie par unité de masse). En outre, ce type de batterie n’est pas affecté par l’effet-mémoire ( C'est à dire que cela n'affecte pas la batterie lorsque nous la chargeons sasn qu'elle soit complètement déchargée) et son autodécharge est réduite.
Ces caractéristiques font de cette batterie l’une des meilleures solutions actuelles pour alimenter en électricité les appareils nomades (appareil photo, téléphone mobile) ou les véhicules (voiturehybride, voiture électrique) et surtout pour éviter la pollution qui ne cesse de s'accoitre.
Voiture utilisant la batterie lithium-ion
Le sodium peut être tout aussi très intéressant
L'utilisation de metaux alcalins (dont Na est le premier representant) fait partie des voies prometteuses de developpement des PAC (Piles à combustible). On pourra citer notamment les piles a hydrures de bore direct. Evidemment le procede employe va plus loin que la simple reaction de metal et d'eau, et il reste encore beaucoup de developpements à faire pour que ce type de PAC se retrouve dans un vehicule (Bien que le DSTL britannique, equivalent du DARPA americain ou de la DGA en France, a mis au point un UUV - c'est-a-dire un drone sous-marin - utilisant ce type de PAC: "The Direct Sodium Borohydride Fuel Cell for UUV application"), mais les principes de base restent les memes: hydrolise du metal alcalin, production d'hydrogene, oxydation de H2 a l'anode.Alors quel avantage eventuel a utiliser une PAC? Et bien, le fait qu'une batterie a une tendance naturelle a se decharger. Une PAC, meme s'il existe des problemes de perte d'efficacite, lies a la duree de la demi-vie des materiaux (et notamment en ce qui concerne les composes a base de bore) est beaucoup plus stable. Mais on peut imaginer des progres dans ce domaine.
L'avantage serait qu'une batterie a une tendance naturelle a se decharger. Une PAC, meme s'il existe des problemes de perte d'efficacite, lies a la duree de la demi-vie des materiaux (et notamment en ce qui concerne les composes a base de bore) est beaucoup plus stable. Mais on peut imaginer des progres dans ce domaine.
Pour le reste des métaux alcalins, nous ne nous en sommes pas trop intéressés car ceux-ci sont très complexes que ce soit au niveau de leur extraction mais aussi au niveau de leur manipulation. Le Francium par exemple, se trouve à une très petite quantité (une trentaine de grammes dans la croute terrestre) et se désintègre rapidement. La demi-vie de sonisotope le plus stable est de 22 minutes.